Revista Grafeno | n.1 | out 2021 by SF Editora

no 1 | outubro 2021

GERDAU GRAPHENE: UMA EVOLUÇÃO QUE SE TORNA REALIDADE

NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM NANOPLACAS DE GRAFENO AS MUITAS FACES DO GRAFENO GRAFENOS PRODUZIDOS E APLICADOS NO CTNano / UFMG O PROJETO NACIONAL GRAFENO SAE BRASIL GRAFENO PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS CHALLENGER UFABC E A CORRIDA COM O HIDROGÊNIO

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SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437 Rua Ipauçu, 178 - Vila Marieta, Campinas (SP) www.sfeditora.com.br

COLUNAS Editorial 5

Marco Antonio Colosio Editor, marcocolosio@gmail.com

Grafeno, o início! por Marco Antonio Colosio Caros leitores, estamos iniciando uma jornada para construção de uma nova vocação para o Brasil para ser referência global, não menos audacioso do que requerer se posicionar na vanguarda da produção de grafeno e para isto, temos todos os ingredientes; vocês verão.

Leandro Antunes Berti Co-editor, www.leandroberti.com.br

Camila Boldrini Nascimento Coordenadora Técnica, camila.nascimento@fsa.br Udo Fiorini Publisher, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789

Mariana Rodrigues Redação – Diagramação, marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437

André Júnior Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

Coluna 6 Grafeno, suas aplicações e seu impacto político-econômico-social por Leandro Berti Caros leitores, esta coluna de agora em diante será nosso ponto de encontro para informá-los do impacto e resultados políticos-econômicos-sociais do Grafeno, no Brasil e no Mundo.

ANUNCIANTES SAE Simpósio Grafeno www.saebrasil.org.br

Arkema

2 10, 11

www.arkema.com

Malvern Panalytical 12 www.malvernpanalytical.com/br

Seminário de Grafeno

Nanoacademic 51 www.nanoacademic.com

Ford 52 www.ford.com

Portal Aquecimento Industrial

www.aquecimentoindustrial.com.br

Coluna 8 SAE4MOBILITY, surge um novo Horizonte por Erwin Franieck No Brasil, findos os anos 2010, passamos a perceber que os países ligados à OCDE passaram a ter uma taxa de melhoras em todos os indicadores econômicos e sociais e o Brasil tinha se descolado da OCDE.

Coluna 9

Desafio do Grafeno por Valdirene Sullas Teixeira Peressinotto Caros leitores, nesta coluna gostaria de compartilhar com vocês a cada edição um pouco do que está acontecendo na cadeia produtiva de grafeno.

23, 30, 35, 40

Foto de capa Reprodução/Adobe Stock, cedida pela Gerdau Graphene.

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ARTIGOS Gerdau Graphene: uma Evolução que se Torna Realidade por Alexandre Corrêa, diretor geral da Gerdau Graphene Em 2004, um novo material revolucionário foi desenvolvido por dois renomados cientistas, Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester.

Grafenos Produzidos e Aplicados no Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da UFMG 18 por Vinicius G. de castro, Thiago Cunha, Rodrigo G. Lacerda e Glaura G. Silva O Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da UFMG (CTNano/UFMG) foi implantado através de uma parceria entre a universidade, empresas e o governo.

As Muitas Faces do Grafeno 24 por Fernando Galembeck Grafeno é um material dotado de propriedades únicas que despertam grande atenção da mídia. Mas o que está sendo feito com grafeno, na prática?

O Projeto Nacional Grafeno SAE BRASIL

Grafeno para Aplicações Industriais – Breve Introdução

Challenger UFABC e a Corrida com o Hidrogênio

Avaliação de Propriedades Mecânicas de Nanocompósitos Poliméricos Reforçados com Nanoplacas de Grafeno: uma Revisão

por Leandro Antunes Berti e Lucimara Stolz Roman A Nanotecnologia é a Engenharia da Vida, e está presente em nossas vidas desde seu início, ligada intimamente ao funcionamento dos organismos e parte essencial do ferramental da Natureza para criar toda sua diversidade.

por Eduardo Tomanik e Valdirene Peressinotto O grafeno, embora teorizado há décadas, só foi isolado em 2004 pelos pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov, que pelo seu feito ganharam o prêmio Nobel em 2010. por Bruno B. Furquim A equipe Challenger Electric Racing Team está representando a Universidade Federal do ABC no “Desafio SAE BRASIL – BALLARD Student H2 Challenge 2020”

por Bruna Farias de Bortoli, Monique Camille Rodrigues Camargo, Ricardo Ferreira Cavalcanti de Albuquerque, Rodrigo Denizarte de Oliveira Polkowski O desenvolvimento de nanocompósitos com nanoplacas de grafeno (NPGs) e polipropileno (PP) vem despertanto o interesse acadêmico e industrial, devido às suas propriedades potencialmente úteis.

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editorial

Grafeno, o início! C

aros leitores, estamos iniciando uma jornada para construção de uma nova vocação para o Brasil para ser referência global, não menos audacioso do que requerer se posicionar na vanguarda da produção de grafeno e para isto, temos todos os ingredientes; vocês verão. Primeiramente, precisamos localizar as estratégias envolvidas nesta empreitada e por isto focarei na razão principal para o lançamento da Revista Grafeno e sua motivação dentro deste cenário, culminando nesta iniciativa. A SAE BRASIL, na qual represento, em parceria com o Grupo Aprenda assinaram acordos institucionais na área de grafeno, no qual, temas técnicos, divulgação de material e a difusão de conhecimento serão à base desta proposta. Neste sentido, muito além da Revista Grafeno, estão sendo construídos o conhecimento e suas aplicações nos mais diferentes produtos; todos gerenciados pelo grupo de especialistas que compõe o Núcleo Grafeno, que tem caminhado dentro da estrutura da SAE4MOBILITY, que merece sua apresentação nesta edição, porém adianto a vocês que ela é uma nova ICT lançada este ano dentro da organização SAE BRASIL, responsável pelo gerenciamento, construção e integração de projetos, atuando diretamente com empresas, institutos, universidades e governo. Em adicional, esta grande família do grafeno executará o Primeiro Simpósio do Grafeno da SAE BRASIL em novembro de 2021, integrando os grupos, projetos, ideias e personagens de relevância nesse segmento. A explosão no interesse pelo grafeno no Brasil se intensificou fortemente em 2020 e mais recentemente em 2021, estamos assistindo uma crescente oferta de eventos públicos, divulgações constantes na mídia de iniciativas e criações recentes de empresas alicerçadas por steckholders de grandes renomes interessados nesse negócio em nosso País. Minhas contribuições junto com os nossos parceiros e da equipe técnica serão de forma precisa e com senso de urgência, tornando este tema comum em todas as esferas da sociedade. Mas, o mais importante, a integração entre o início da cadeia da produção de grafeno até o produto final nas prateleiras ou circulando nas ruas será a nossa maior focação dentro da SAE BRASIL. Esta edição inicial da Revista Grafeno marca o primeiro passo de grande valor, com uma missão clara de agregar comunidades atuantes neste campo, oferecendo as oportunidades de interlocução e assim atingir até instituições e pessoas de regiões mais remotas dentro do Brasil. Como uma contribuição imediata, penso em alterar fortemente o conceito atual que temos do grafeno, no posicionamento técnico da mídia que se associa ao representado pela jargão: “Grafeno, o material do futuro”, termo que considero totalmente desconectado com a realidade, porque o grafeno já é o material do presente sendo empregado em diversos produtos. Nossa meta atual é focar na viabilização do business cases, isto é, tornar uma realidade nas “pranchetas dos engenheiros de projetos” as opções de seu emprego e assim impulsionar uma cadeia de fornecimento, ou seja, viabilizar o “Supplier Chain” local brasileiro. Certamente, há muito em fazer na formação de know How, mas a parte mais difícil está passando, ou

seja, a comprovação técnica da sua eficiência em produtos diversos. Há praticamente dois anos, em 2019, divulguei uma reportagem do grafeno citando seus avanços como uma realidade no setor automotivo e nestes dois anos seguintes percebo que a evolução foi algo ainda mais impressionante, ou seja, passamos a ver a redução do custo de grafeno algo real, na época já tinha sido citado 1000 vezes nos últimos dez anos, porém atualmente este valor já ultrapassou fortemente estas cifras. Todavia, com nossos conhecimentos adicionais, precisamos calibrar esta abordagem, percebemos que existe uma diferenciação enorme de condições deste produto, que muitas vezes não representam corretamente a realidade do grafeno e sim produtos singulares como a micro grafita e outras vezes os óxidos de grafeno, e também no aspecto de forma e tamanho, que pode ser de 1 até 10 planos atômicos de átomos de carbono para ser chamado de grafeno. Percebe-se nestes pontos anteriores, que a provável variação de custo é algo muito real e presente em função destas condições no produto grafeno ou nestas formações de carbono ditas como grafeno. Ainda nesta edição da Revista Grafeno, será abordado o primeiro projeto de Grafeno aprovado dentro do Rota 2030 para aplicações em veículos, fruto de uma construção orquestrada pela SAE BRASIL iniciada em 2020, mas o interessante em tudo isto é que “aquela idéia virou uma realidade com muita ação” e este será nosso espírito de trabalho. A mensagem principal para todos os leitores será que este “pequeno grande grafeno” vai viabilizar muito recursos e oportunidades, e certamente será uma nova “corrida do ouro” em nosso País e para cada momento, estarei discutindo os produtos, seus caminhos de projeto e as formas operantes. Muito obrigado e aproveitem o conteúdo da Revista Grafeno, Até a próxima edição.

Marco Antonio Colosio marcocolosio@gmail.com

Mentor do Núcleo Grafeno da SAE BRASIL. Diretor da Regional São Paulo da SAE BRASIL. Engenheiro Metalurgista e Doutor em Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-USP, pós-doutorado pela EESC-USP. Professor titular do curso de Engenharia de Materiais da Fundação Santo André e professor da pós-graduação em Engenharia Automotiva do Instituto de Tecnologia Mauá. Colaborador associado da SAE BRASIL com mais de 30 anos de experiência no setor automotivo nos campos de especificações de materiais, análise de falhas, P&D e inovações tecnológicas.

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coluna

Grafeno, suas aplicações e seu impacto político-econômico-social

aros leitores, esta coluna de agora em diante será nosso ponto de encontro para informá-los do impacto e resultados políticos-econômicos-sociais do Grafeno, no Brasil e no Mundo. Nesta ocasião apresentarei como as políticas públicas foram pensadas e originadas de um posicionamento estratégico em exercício à soberania nacional. Estive na capacidade nacional, no Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovações, de coordenar os esforços de construção das estratégias e politicas nacionais das tecnologias convergentes e habilitadoras, compreendendo os temas da Nanotecnologia, Materiais Avançados, Fotônica e Tecnologias para Industria 4.0. Na ocasião, lançamos quatro Planos Nacionais nestes temas, escrevemos o Marco legal da Nanotecnologia e Materiais Avançados, com a inclusão de uma Estratégia Nacional para Materiais 2D (Grafeno e outros), reformulamos o Sistema Nacional de Nanotecnologia (SisNANO) para intensificar o apoio ao setor produtivo, incluímos no Rota 2030 as definições de Nanotecnologia para componentes, peças, autopeças e na processo produtivo, e muitos outras ações em prol do pleno desenvolvimento nacional com o domínio e a geração de tecnologias críticas. Todo esse esforço, contribuiu sobremaneira para o movimento de fortalecimento da relação da academia-indústria que estamos vivenciando atualmente. Politicas públicas de tecnologias tem o papel fundamental de promover a segurança jurídica e reduzir o risco do cidadão em investir em setores emergentes, pois associada a ela, estão as oportunidades, regras e os programas de fomento que impulsionam o desenvolvimento da nação. Essas políticas públicas auxiliam o enfrentamento de tempos de crise, como este da pandemia. A pandemia nos desnudou de tal maneira, demonstrando que não temos tecnologia e nem estamos organizados mundialmente para uma resposta rápida a este flagelo. Muitas lições foram aprendidas, mas uma em particular me chamou atenção, o balanço geopolítico. O balanço geopolítico é uma das facetas da política-econômica-social internacional mais frágil e rapidamente muda. Vimos durante este momento crítico que os países se fecharam e entregaram tecnologias para os seus, e quando solicitados por outros países haviam leis/decretos/ordens presidências limitando o acesso a estas tecnologias. Com o tempo, essas barreiras caíram e todos puderam se beneficiar das tecnologias. No entanto, fica uma informação valiosíssima para a atualização da política estratégica nacional. Nós, como nação devemos ter a capacidade instalada de desenvolvimento e principalmente

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produção para atender as nossas demandas e de outros países, urgentes em tempos de crise. Portanto, soberania é diretamente proporcional ao nível tecnológico de um país. Mas como essa realidade se aplica para o Grafeno? Políticas públicas efetivas são originadas em dados da realidade. Para o Grafeno, não deve ser diferente, e o ponto de partida está na capacidade e qualidade da fonte de recursos naturais disponíveis no país. O Grafeno originalmente é extraído do grafite por processos exfoliação químicas e ou mecânicas. No grafite, os átomos de carbono estão ligados a apenas três outros átomos de carbono para formar camadas bidimensionais, extremamente estáveis, na qual cada camada está apenas fracamente ligada a camadas adjacentes pelas forças de van der Waal, que forma um dos minerais mais suaves e com excelentes propriedades. O Grafeno são estas camadas bidimensionais, tipo de material 2D, que possui propriedades fantásticas, como: condutividade balística (100x do Cobre), resfriamento acelerado (500 W/mK), resistência mecânica (100x do Aço), ultra flexível (< 200 MPa) e impermeável para fluidos (omnifóbico). Atualmente o total de recursos naturais de grafite está estimada em 1,10 MT/ano (pre-pandemia) e é fortemente dominada pela China (66%), seguida da Índia (14%) e do Brasil com apenas 7%. Outros países, como o Estados Unidos dependem fortemente das importações do grafite para atendar as suas demandas internas. Um ponto interessante é que o mercado de grafite é composto de 90% de grafite sintético e 10% de grafite natural, e é estimado em mais de US$ 14 bilhões (2021) . Interessante notar que o mercado do grafeno é sempre apresentado em milhões de dólares, o que faz sentido, porém o valor real do Grafeno está em suas aplicações. De fato, se considerarmos a aplicação de Grafeno em bateria que se estima valer mais de US$ 60 bilhões a contribuição do Grafeno para este mercado é também de bilhões de dólares . Essa relação pode ser aplicada para todo e qualquer mercado que se deseje aplicar o Grafeno. Em suma, o Grafeno é um material estratégico que gera tecnologia crítica e possui a vantagem de fortalecer a soberania de um país. Qual a importância das tecnologias críticas? Colocando em termos simples, são tecnologias que mudam o paradigma tecnológico de uma civilização. Um bom exemplo, e que recentemente ganhou grande atenção da mídia, é a Computação Quântica, uma impressionante tecnologia que possui a capacidade de acelerar exponencialmente o poderio computacional atual. Esse mercado está acelerado com forte investimento de empresas

coluna pioneiras como a D-Wave, Google, IBM, Xanadu, Rigetti e outros. Essas empresas estão criando o hardware e o software de uma nova plataforma computacional e já surgiram até algoritmos de Inteligência Artificial como a Machine Learning Quântica que podem mudar completamente o futuro de carros autônomos e da mobilidade em geral. Analistas indicam que esse mercado poderá alcançar em 2035 o valor de US$ 1 trilhão de dólares . Mas vocês devem estar se perguntando, qual a relação deste mercado com o Grafeno? Eu diria que tudo, pois a tecnologia de silício já atingiu seu limite físico para a computação, e, portanto, a grande promessa são os materiais 2D como o Grafeno, pois resolvem muito dessas limitações atuais . Um outro mercado a ser impactado fortemente pelo Grafeno, é o de Internet das Coisas (IoT) , esse mercado também está na casa de bilhões de dólares. A IoT é uma das ferramentas da Industria 4.0 que permite a integração de novos nanossensores conectados em rede para, por exemplo, controlar a previsão de produção e perdas em tempo real. Para além do IoT, a Indústria 4.0 requer maquinário resiliente, durável e robusto o suficiente para conseguir completar a nova jornada de produção mundial, que será de alto volume, alta frequência, alta velocidade, altamente customizada e não supervisionada. Portanto, o maquinário deverá suportar ciclos produtivos muito mais longos, mais rápidos e demandantes do que estes praticados atualmente, para isso o Grafeno pode ser um grande aliado devido as suas excelentes propriedades mecânicas. Em particular, no aspecto social, o Grafeno responde a pelo menos 11 dos 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU . Sua versatilidade e abrangência de aplicações, permite ao Grafeno ser um dos principais materiais para um futuro sustentável. Isso nos leva e entender que o Grafeno é parte integral para a geração de uma nova sociedade centrada na geração de valor, sustentável nos quatros eixos: político, social, econômico e ambiental e figital (física-digital), fortalece o ESG. A esta sociedade futura e madura que irá usufruir completamente dos resultados da Industria 4.0, é chamada de Sociedade 5.0 . Grafeno é o futuro da sustentabilidade! Muito obrigado pela atenção e aproveitem a nossa Revista Grafeno. Aguardem as novidades nas próximas edições.

Leandro Antunes Berti www.leandroberti.com.br

CEO da FIBER INOVA (www.leandroberti.com.br), Leandro Antunes Berti: Doutor em Nanotecnologia e Pós-doutor em Nanobiotecnologia e Presidente da Associação Brasileira de Nanotecnologia– BrasilNano, Mentor do Nucleo de Grafeno da SAE BRASIL; Foi Idealizador e Coordenador do SUPERHUB de Nanotecnologia do Paraná, foi Coordenador-Geral de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras (CGTC) e Coordenador-Geral de Tecnologias Estratégicas, do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações do Brasil (MCTIC), responsável pela política pública nacional, estratégia, iniciativas de Nanotecnologia, Fotônica, Materiais Avançados e Manufatura Avançada. Criou o Plano de Ação Nacional de Tecnologias Convergentes e Habilitadoras, incluiu a Nanotecnologia no programa Rota 2030, escreveu o Marco Legal da Nanotecnologia e Materiais Avançados (PL 880/2019). Foi Membro da Comissão de Ciência e Tecnologia do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, BRICS WG Photonics National Representative, OECD (Bio-, Nano- and Converging Technologies (BNCT)) - Nanotecnology National Representative, Brazil-Canada Joint Committee for Cooperation on Science, Technology and Innovation; Diretor do Centro Brasileiro-Argentino de Nanotecnologia, Presidente do Centro Brasileiro-Chinês de Nanotecnologia. Foi Secretário Executivo do API. nano, na Fundação CERTI. Autor dos primeiros livros nacionais sobre regulação com Nanossegurança: Guia de Boas Práticas em Nanotecnologia para Indústria e Laboratórios e Nanossegurança na Prática: Diretrizes para análise de segurança de empresas, laboratórios e consumidores que usam nanotecnologia.

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coluna

SAE4MOBILITY, surge um novo Horizonte

o Brasil, findos os anos 2010, passamos a perceber que os países ligados à OCDE passaram a ter uma taxa de melhoras em todos os indicadores econômicos e sociais e o Brasil tinha se descolado da OCDE, tomando decisões protecionistas que geraram inúmeras distorções em toda a cadeia produtiva nacional, criando uma intrincada rede de impostos e tributos na área industrial, comercial e de uso dos bens, que veio nos tirando a competitividade em relação à indústria global. As nossas Universidades se afastaram das indústrias, as quais perderam o foco em pesquisa e desenvolvimento e focaram em uma gestão financeira para poder sobreviver neste mercado, onde os tributos eram inúmeras vezes maiores que os lucros, quanto existiam. Desta forma, a maioria das nossas mais bem administradas indústrias nacionais foram adquiridas por multinacionais estrangeiras, que correspondem por quase a totalidade desta indústria. Neste cenário, no final de um programa importante, mas com veias protecionistas, denominado Inovar-Auto, criou-se um grupo associado ao então Ministério da Indústria e Comércio ( MDIC), liderado pela Sra. Margarete Gandini, certamente uma das profissionais mais importantes para a evolução do Setor no Brasil, com a participação de todos os envolvidos neste ecossistema, inclusive outros Ministérios, denominado Programa Rota 2030, que por mais de 2 anos, em centenas de encontros presenciais e milhões de trocas de informações, resultou em um programa, evolutivo em relação aos melhores programas de desenvolvimento tecnológicos da OCDE, que mostra uma visão de 15 anos de direcionamento da evolução do transporte rodoviário e estabeleceu uma rede de apoio em todas as associações que estão promovendo uma grande densidade de projetos e estudos. Dentro deste contexto, muitos membros da SAE BRASIL, estavam envolvidos diretamente na negociação e redação da legislação, que resultou em 3 pilares que promovem o desenvolvimento sustentável em bases nacionais dentro da cadeia produtiva global, com participação significativa da comunidade de engenharia local. Com base nos pilares de Fomento à Pesquisa e Desenvolvimentos internos crescentes, que usa parte dos impostos sobre lucros e contribuição social, para patrocinar as pesquisas internas das empresas, usando os mesmos critérios de classificação constantes no Manual Frascati, criado dentro da OCDE, assim como a destinação dos Impostos de Importação (2%) ligados aos itens do Regime Automotivo para coordenadoras de projetos de P&D selecionadas pelo Programa Rota 2030, temos uma irrigação nacional para a geração de projetos direcionados pelos objetivos de aumento da eficiência energética, redução das emissões e melhor na segurança veicular, determinados em conjunto pela sociedade organizada. Como a SAE-BRASIL sempre se posicionou a favor de promover, acelerar e integrar o conhecimento das pessoas envolvidas na mobilidade no Brasil, nada mais natural que, após 30 anos de grandes serviços prestados, permitindo uma densidade de competências e

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redes de contatos, ser um dos elementos chaves para a manutenção da nossa indústria automotiva nacional entre as 10 maiores do mundo, criando assim um Instituto de Tecnologia da SAE BRASIL, tão sonhado desde há décadas e já em planos desde 2014, se concretizando na Gestão do Presidente Camilo Adas, que articulando toda a rede de parceiros para participar do processo de criação do Instituo de Tecnologia SAE BRASIL, denominado SAE4MOBILITY, focado na missão de agregar os parceiros da indústria Nacional para transformar conhecimento em Projetos de pesquisa aplicada, desenvolvimento experimental, parceria na ampliação de centros de competência em Tecnologias digitais, da mobilidade, conectividade em todos os seus Modais. Nesta missão se integraram grandes nomes do Setor da Mobilidade Nacional, Como Gabor Deak, Camilo Adas, Erwin Franieck, Ludovino Lopes, Marcos Osaki, Daniel Zacher, J.E. Azarite, A.C.Bento de Souza, J.L.Albertin, que desde o início participam em todas as discussões e formatações do instituto que terá seu lançamento oficial em junho de 2021 junto aos parceiros que nos apoiaram desde a proposta de criação. Como órgão central do SAE4MOBILITY temos o Conselho de Inovação, responsável por promover o adensamento das parcerias dentro dos Núcleos de Projetos, que terão a missão de encubar projetos tecnológicos para a cadeia automotiva. Antes mesmo de constituir o Instituto SAE4MOBILITY, muitas ações de concentração de grupos de academia, empresas, e empreendedores se uniram para discutir projetos a serem apresentados para as agências de fomento ligadas ao Rota 2030. Assim temos um destes grupos se transformando no primeiro Núcleo do Grafeno, liderado pelo Prof. Dr. Marco Colósio e pela Administradora Debora Moura, promovendo projetos dentro da missão do SAE4MOBILITY. Assim como o Núcleo do Grafeno, vemos surgir o Núcleo dos Biocombustível com a liderança do Executivo Everton Lopes e um grande time e esperamos a formação de outros Núcleos importantes para a cadeia de desenvolvimento e produção Nacional.

Erwin Franieck franieck@unicamp.br 019 982051122

Engenheiro Mecânico de Projetos pela UNICAMP, professor e chefe do Colégio Técnico da UNICAMP, atuou por 35 nos na Bosch em Campinas, onde se aposentou como diretor de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação.

coluna

Desafios do Grafeno

aros leitores, nesta coluna gostaria de compartilhar com vocês a cada edição um pouco do que está acontecendo na cadeia produtiva de grafeno. Nesta primeira edição trago uma abordagem mais geral para o entendimento do que é esse nanomaterial e dos desafios para a aplicação no mercado. Do ponto de vista técnico o grafeno é um material bidimensional, composto por uma monocamada de átomos de carbono organizados hexagonalmente como em uma estrutura tipo favo de mel. Porém a depender do método de obtenção podemos ter uma família de materiais com diferenças entre o número de camadas, defeitos estruturais e ou grupos funcionais ligados à rede cristalina. Com isso do ponto de vista comercial o grafeno pode ser representado por uma família de materiais e, desde 2017 a norma ISO / TS 80004-13:2017 regula como deve ser a classificação dos materiais derivados de grafeno. O grafeno com suas extraordinárias propriedades (destaco algumas baixo) são candidatos promissores para revolucionar diversas aplicações industriais, como por exemplo eletrônica, tintas e revestimento, compósitos poliméricos e cerâmicos, baterias, etc. · maior mobilidade de elétrons quando comparado a qualquer outro material. · condutividade térmica que pode chegar a 10 vezes maior do que a do cobre · transparente; · alta resistência mecânica e elasticidade · inerte e impermeável Com tantos atrativos, porque produtos com grafeno ainda não são abundantes no mercado? Para dar uma noção do desafio, se um fabricante de compósitos poliméricos, pensando em aplicações no setor automotivo por exemplo, quisesse colocar grafeno em plásticos de engenharia para deixa-lo mais leve e mais resistente, ele precisaria saber escolher qual o tipo de grafeno, de poucas camadas ou nanoplacas? Funcionalizado ou não? Como dispersar o grafeno em sua matriz polimérica garantindo que esteja uniforme? Como medir as propriedades que o grafeno possa ter adicionado ao compósito? Como controlar a qualidade do produto? Responder estas perguntas pode parecer fácil, mas não é, e é nisto que as comunidades acadêmicas e industriais, em todo o mundo, estão trabalhando, na maioria das vezes em parceria, para vencer os desafios em torno do uso industrial do grafeno. Técnicas de dispersão complexas precisam ser desenvolvidas, protocolos de cura precisam ser estabelecidos e um entendimento precisa ser alcançado sobre como as ativações de superfície do material subjacente afetarão o grafeno e suas propriedades. Finalizando este tema: sabemos que o grafeno apresenta uma oportunidade enorme, mas há desafios a serem superados. Não

basta saber o que é grafeno, é mais importante saber como um ativo tecnológico “o grafeno” pode ser explorado nas aplicações para as quais foi direcionado.

Valdirene Sullas Teixeira Peressinotto Química formada pela UNICAMP e Mestre em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais com ênfase em nanomateriais de carbono. Trabalha desde 2008 com desenvolvimento, implantação e coordenação de projetos de PD&I em áreas da fronteira do conhecimento com interface entre a indústria e ICTs. Coordenou na CODEMGE o Projeto MGgrafeno, uma parceria entre CODEMGE, CDTN e UFMG para levar ao mercado tecnologia de produção, caracterização e aplicações de grafeno. Desde outubro de 2021 integra o time de PD&I da Gerdau Graphene

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informe publicitário

Arkema oferece alternativa bio renovável ao grafeno há mais de uma década

Arkema, grupo francês líder em materiais especiais, oferece ao mercado o Graphistrength®: nanotubos de carbono de paredes múltiplas de bio-etanol. De fonte renovável, puro e disponível em mais de 20 tipos de Masterbatches, versões dos nanotubos de carbono para dispersões líquidas, o Graphistrength® proporciona melhoria significativa na condutividade, resistência mecânica e resistência aos raios ultravioleta de uma diversidade de produtos. À frente na indústria global, a Arkema é líder mundial na produção de nanotubos de carbono bio renovável há mais de uma década. A solução faz parte do posicionamento do Grupo, que está comprometido com o desenvolvimento contínuo de um portfólio inovador para enfrentar os desafios de sustentabilidade no mundo. “Com uma produção em larga escala que soma mais de 400 toneladas por ano desde 2011, a Arkema fornece o Graphistrength® para indústrias de todo o mundo e está engajada em torná-lo uma alternativa mais viável ao mercado de grafeno no Brasil”, diz Raquel Souza, Gerente de Novos Negócios da Arkema.

A solução

Os nanotubos de carbono Graphistrength® são mais resistentes que o aço e mais condutivos que o cobre, além de muito leves. A solução ajuda a alcançar propriedades de dissipação eletrostática (ESD) notáveis, com taxas de concentração muito baixas em comparação com as cargas e aditivos tradicionalmente usados para esse propósito. “A baixa concentração em polímeros de Graphistrength® reduz significativamente qualquer risco de prejudicar as propriedades mecânicas de produtos e, em alguns casos, pode até melhorá-las”,

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de acordo com Raquel Souza. O Graphistrength® também é um estabilizador UV com dosagem 50 vezes menor que o negro de fumo em polímeros, testado em Xenon test por 800 horas. Além disso, apenas 0,02% dos nanotubos de carbono da Arkema apresentam um aumento de resistência ao impacto de 40% na PA11, segundo os resultados do Charpy test. “Em muitas aplicações, os nanotubos de carbono apresentam um desempenho superior ao de aplicações competitivas no mercado, como fibra de carbono ou de vidro”, afirma.

Masterbatches de Nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono Graphistrength® estão disponíveis em versões de Masterbatches de polímeros, de elastômeros e em pó para dispersões líquidas. As Masterbaches de polímeros contêm de 20% a 30% de nanotubos de carbono perfeitamente dispersos na matriz polimérica como poliamidas, poliésteres e policarbonato. São indicadas para diluição direta com segurança e versatilidade no uso em diversas aplicações. Já as Masterbatches de elastômero apresentam entre 17% e 40% do seu peso de nanotubos de carbono em matrizes de fluorelastômero, nitrila e EPDM. E, por fim, as Masterbatches em pó são indicadas para dispersões em formulações líquidas termorrígidas ou hidrossolúveis. O concentrado dessa versão oferece flexibilidade de uso para formular o nível desejado da solução contendo até 45% de seu peso composto por nanotubos de carbono. “A Arkema também disponibiliza Masterbatches de nanotubos de carbono para a composição de materiais avançados do seu próprio portfólio como, por exemplo, para o Rilsan® PA11, uma

informe publicitário poliamida 11 de fonte 100% de renovável; o Kepstan® PEKK, uma solução de polímeros para uso em condições extremas de resistência química; e, o Kynar® PVDF, um fluopolímero também usado na produção de baterias, artigos esportivos e em impressão 3D”, conta a gerente de Novos Negócios do Grupo.

da resistência aos raios UV”, afirma Raquel. A solução também apresenta melhora à resistência ao desgaste em correias elastoméricas e oxidação térmica para termoplásticos reciclados, painéis solares entre outros.

Aplicabilidade de nanotubos de carbono

Diversas indústrias no mundo têm se beneficiado com as aplicações do Graphistrength® da Arkema para o desempenho da condutividade elétrica de produtos. “A tecnologia tem usado na produção de bandejas de disco rígido; o setor automotivo para peças revestidas com spray e baterias mais sustentáveis melhorando desempenho e ciclo de vida; a indústria de papel nas bobinas compostas e tubos industriais para águas residuais. Os nanotubos de carbono também têm sido aplicados em revestimentos, adesivos, tintas e primers de tinta”, afirma Raquel. Por gerarem aumento de resistência mecânica, os nanotubos de carbono Graphistrength® também podem ser adicionados a qualquer tipo de termoplástico, termorrígidos, elastômero, metal, concreto ou material cerâmico. “Já é comprovado que uma quantidade muito pequena de Graphistrength® adicionado ao termoplástico oferece propriedades mecânicas significativas e melhora

Raquel Souza, gerente de Novos Negócios para a América Latina, com experiência no desenvolvimento e vendas de soluções inovadoras na área química e de sustentabilidade, como nanotubo de carbono de fonte renovável, polímeros eletroativos, mobilidade e sustentabilidade. Com formação em engenharia química, especialização em administração industrial e em Petróleo & Gás, Raquel possui 19 anos de experiência em vendas técnicas, gestão de clientes, incluindo desenvolvimento de novos clientes e novos produtos, pesquisas de mercado, elaboração de propostas comerciais na área de Óleo & Gás, petroquímica, engenharia, polímeros, poliuretanos, lubrificantes, revestimentos, entre outros setores.

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pr es en te

Soluções tecnológicas para caracterização de materiais avançados

Técnicas analíticas para otimizar os parâmetros de qualidade do grafeno O grafeno, considerado um dos materiais mais promissores da atualidade, agrega valor aos produtos com interessantíssimas propriedades. Os benefícios da sua aplicação já estão presentes em diversos setores da mobilidade moderna.

Técnicas e Aplicações A caracterização adequada para um grafeno de alta qualidade é muito importante para garantir o controle tanto do processo de síntese em bancada como da produção em larga escala e durante sua aplicação. Alguns dos fatores explorados são: • • • • • •

Desordem do cristal Impurezas elementares Empilhamento de camadas Distribuição de tamanho Potencial zeta Estabilidade

Temos parceria com as maiores empresas do mundo, universidades e renomados centros de pesquisa. Eles nos valorizam não apenas pelo poder de nossas soluções, mas também pela profundidade da nossa experiência, colaboração e integridade. Difração de Raios X Fase cristalina

Difração laser

Fluorescência de Raios X

Tamanho de partícula

Análise química elementar e impurezas

Raman Automatizado (MDRS)

Confirmar estrutura 2D/camadas

NTA

As tecnologias e serviços da Malvern Panalytical colaboram globalmente com os cientistas para construírem um mundo melhor, gerando inovação e criando tendências da mobilidade.

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Tamanho e concentração

DLS e ELS

Tamanho de Partícula e potencial Zeta

artigo

GERDAU GRAPHENE: UMA EVOLUÇÃO QUE SE TORNA REALIDADE por Alexandre Corrêa, diretor geral da Gerdau Graphene

m 2004, um novo material revolucionário foi desenvolvido por dois renomados cientistas, Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester. Eles conseguiram obter, a partir do grafite, o grafeno, material bidimensional e de espessura atômica. Devido à sua estrutura peculiar, o grafeno é classificado como o material mais fino e mais forte que existe. Ele é um excelente condutor de eletricidade e calor, altamente flexível e tão denso que nem o menor átomo de gás o atravessa. As suas propriedades singulares têm possibilitado desenvolver novos materiais de alto desempenho que poderão revolucionar diferentes segmentos da indústria. Tamanha foi a revolução iniciada pela descoberta do grafeno que, em 2010, ambos os físicos ganharam o Prêmio Nobel por demonstrarem as propriedades revolucionárias desta camada de carbono com um único átomo de espessura. Desde então, centros de estudo do grafeno surgiram em todo o mundo, dando origem a mais de 55 tipos de aplicação. Um ecossistema de pesquisa se desenvolveu também no Brasil, com representantes em universidades e na iniciativa privada e avanços significativos no País. Um mercado de pelo menos U$ 6 bilhões se desenvolveu nas Américas – 40% desse total apenas no Brasil. Contudo, como acontece com qualquer novo material, há um grande hiato entre o desenvolvimento de aplicações em laboratório e protótipos e a comercialização e consumo em massa. Trata-se de um momento conhecido como “vale da morte” durante o processo de amadurecimento de uma nova tecnologia, e nem todos os novos produtos sobrevivem a esta fase. Nesse cenário, em abril de 2021, nasce a Gerdau Graphene, com a proposta não apenas de produzir grafeno em escala e qualidade, mas de ir além e focar no desenvolvimento de aplicações com o grafeno e, assim, tornar a sua aplicação comercialmente viável em larga escala. A partir de parcerias com centros de pesquisa no Brasil e no mundo e contando com um time de experts recrutado em instituições de excelência, a Gerdau Graphene integra toda a cadeia de valor deste novo material, conectando empresas, fornecedores, investidores, cientistas, potenciais clientes e órgãos públicos para tornar o grafeno uma realidade nos processos industriais. A Gerdau Graphene tem trabalhado lado a lado com clientes em diversas frentes e adequando soluções para

acelerar o mercado global de grafeno. Como o grafeno possui a capacidade de melhorar as propriedades de vários materiais, existem muitos caminhos possíveis para a sua aplicação. Buscando acelerar a sua entrada no mercado, a Gerdau Graphene escolheu quatro plataformas principais de produtos para iniciar o seu trabalho de desenvolvimento: produtos para construção civil, polímeros (termoplásticos, plásticos termofixos e elastômeros), lubrificantes e tintas. Além disso, há dois segmentos especiais desenvolvidos em parcerias estratégicas com os clientes: baterias e rolamentos.

A força de uma empresa centenária aliada a novas ideias

A história da Gerdau com o grafeno começa em 2017, quando o seu time de P&D iniciou o estudo do material para o desenvolvimento de tintas anticorrosão para seus clientes do setor automobilístico. Esse foi apenas o começo da jornada com o grafeno da maior empresa brasileira produtora de aço, que em 2021 completa 120 anos. A Gerdau viu valor em ir além das tintas, e transformar matéria prima em tecnologia e produto. Assim como o ferro, ou a sucata, se transforma em aço – e o aço é moldado em produtos diversos para os seus clientes –, a Gerdau viu um potencial de transformar o grafeno em ganho de performance para outros setores além do automotivo. Em 2019, a empresa deu mais um importante passo nessa trajetória: firmou parceria com o recém-criado Centro de Inovação de Engenharia de Grafeno (GEIC, da sigla em inglês) da Universidade de Manchester, no Reino Unido, e entrou para o seleto grupo com cadeiras exclusivas na instituição que é referência global no tema. Em 2021, pesquisa se transformou em negócio, com a abertura da Gerdau Graphene. Trata-se de uma nova startup no ecossistema de nanomateriais, uma empresa que chega ao mercado com o diferencial de estar ancorada sobre os ombros de um gigante grupo internacional e líder de diversos setores comerciais.

Desenvolvimento internacional

Ao montar uma rede de desenvolvimento tecnológico, primeiramente estamos focados em dominar todas as propriedades físicas

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artigo

e químicas do grafeno e a sua aplicação em diferentes segmentos do mercado. Para isso, a Gerdau Graphene conta não só com laboratórios de parceiros tecnológicos, mas principalmente com seu posto avançado no GEIC, em Manchester. Ali, a empresa se conecta ao coração global da pesquisa em grafeno, fonte constante de inovação, e o mais importante polo tecnológico para a pesquisa do material. Com infraestrutura laboratorial de vanguarda, a unidade de pesquisa no GEIC traz maior competitividade às operações de Gerdau Graphene. No laboratório, protótipos são testados com agilidade e segurança em todas as etapas Recentemente, o time ganhou um reforço de peso: o cientista Nurul Alam, que passa a comandar o laboratório como CTO (Chief Technical Officer) para Europa e Ásia. PhD em Nanotecnologia e Ciência de Materiais, com passagens pelas universidades inglesas de Cambridge e Nottingham, ele é ainda fellow da Royal Society of Chemistry. Sua contratação representa um passo importante em direção à fabricação de soluções tecnológicas e inovadoras.

Uma ponte entre ciência e indústria

Sabemos que nem sempre uma boa solução acadêmica é viável industrialmente, seja por custo ou dificuldade de reproduzi-la em

larga escala. Como integrador da cadeia do grafeno no Brasil, a Gerdau Graphene estabelece uma ponte entre os dois universos – solução acadêmica e aplicações industriais – definindo, junto a seus clientes e parceiros, o que é factível no mercado. Nesse sentido, a Gerdau procurou o IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas, vinculado à Secretaria de Desenvolvimento Econômico do Estado de São Paulo e que atua há mais de 100 anos em pesquisas científicas para aplicações industriais e é parceiro de longa data da Gerdau nos estudos em aço. Juntos, IPT e Gerdau Graphene acabam de obter o primeiro lugar na Chamada Pública para Estruturação de Centros de Tecnologia e Inovação Aplicadas em Materiais Avançados do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações e da Finep (Financiadora de Estudos e Projetos). Com investimentos da Gerdau, do IPT e da Finep, o novo centro tecnológico terá foco em tornar realidade as aplicações de grafeno nos processos industriais. As pesquisas existentes serão aprimoradas e transformadas em soluções viáveis. Com o tempo, a ideia é que o novo centro se torne autossustentável e que gere tecnologia para beneficiar o desenvolvimento da indústria nacional em outros campos alem das plataforma iniciais. No plano de negócios, as entregas são em curto prazo: a cada seis meses um novo produto em concreto, óleos e graxas ou polímeros deve

Figura 1. Laboratório da Gerdau Graphene localizado no Centro de Inovação de Engenharia de Grafeno da Universidade de Manchester, no Reino Unido

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artigo

estar no mercado para toda uma rede de fornecimento nacional. Assim, o novo centro tem como principais missões: - Garantir a continuidade e a geração de conhecimento técnico-científico, - Fornecer meios para aumento de competitividade das indústrias nacionais, - Produção científico-acadêmica de base tecnológica, - Gerar recursos humanos, possibilitando o acesso a um conjunto mais rico de recursos humanos e de tecnologia na fronteira do conhecimento, - Mitigar riscos e incertezas para que novos produtos tecnológicos cheguem ao mercado, ampliando, assim, o número de vagas de trabalho no âmbito nacional. A iniciativa está dividida em duas fases, sempre com o uso do grafeno para melhoria de propriedades. A primeira visa projetos de maturidade tecnológica mais próxima da industrial TRL (technology readiness level) para o desenvolvimento de produtos bases para o mercado nacional como a) aditivos químicos que aumentem a durabilidade do concreto; b) boosters para lubrificantes visando aumento da eficiência energética de veículos, c) polímeros para uso em embalagens termoplásticas que melhorem o desempenho de barreira a gases e líquidos, d) elastômeros para a indústria de pneus com melhoria da resistência ao rasgo. A reciclabilidade e a introdução de funcionalidades como antimicrobiana, antiviral e antioxidante também estão na pauta. Na segunda fase, de projetos inciando com um TRL mais baixo (ou seja, cientificamente mais ambicioso e de maior risco)

serão desenvolvidos masterbatches (aditivos sólidos usados na indústria de plástico para conferir melhores proriedade ou coloração), a base de grafeno para aplicação nas três principais classes de polímeros: termoplásticos, termorrígidos e elastômeros. Em paralelo, a Gerdau está instalando seu próprio centro dentro do IPT para seus projetos específicos e sua equipe própria. Visando estabelecer projetos mais próximos do cliente, a Gerdau Graphene estabeleceu parceria também com o Senai, instituição totalmente ligada à realidade da indústria e com expertise em transformar ciência em aplicações práticas. Será mais uma iniciativa from lab to life, que constrói pontes para trazer o melhor de dois mundos, ciência e indústria. O primeiro projeto desta parceria visa o desenvolvimento de masterbatches de grafeno ou óxido de grafeno para polímeros termoplásticos.

Ecossistema de inovação para soluções reais

Em diferentes áreas, a Gerdau opera com filosofia embarcada de inovação aberta, trabalhando em colaboração estreita com múltiplos ecossistemas. A Gerdau Graphene também atua por meio de parcerias e alianças para desenvolver soluções de grafeno. Além de uma área de P&D estruturada no Brasil e no exterior, das parcerias com centros de pesquisa e com os principais fabricantes de grafeno no mundo, a empresa trabalha em conjunto com a área de P&D de clientes para construir juntos e adaptar soluções às suas necessidades. Essa troca é essencial para tornar projetos realidade. O grafe-

Figura 2. Grafeno pode ser aplicado na produção de diversos produtos, estendendo o uso e aumentando a eficiência tecnológica

Revista Grafeno | outubro 2021 | 15

artigo

no não é uma commodity e precisa ser adaptado para as diferentes aplicações. Assim, a Gerdau Graphene vem trabalhando lado a lado com seus parceiros, adaptando tecnologias e processos produtivos para obter resultados concretos. Em apenas cinco meses de operação, a Gerdau Graphene já estabeleceu projetos com diferentes indústrias e nos próximos meses iniciará testes efetivos nas plantas de seus clientes – alguns deles já em curso no laboratório. O primeiro cliente, no entanto, foi a própria Gerdau e suas usinas de aço, permitindo testes de novos produtos e soluções com velocidade e intimidade de aplicação, um excelente piloto para avaliar soluções dentro de casa. Assim, o futuro aponta para a inovação aberta, com o estabelecimento de parcerias com diferentes players da cadeia do grafeno para juntos avançarmos em direção a soluções que agregarão desempenho, usabilidade e escalabilidade para a indústria. Sem dúvida um universo de oportunidades muito grande, com altas chances de crescimento para todos os envolvidos nessa revolução.

Figura 3. Entrada do Centro de Inovação de Engenharia de Grafeno da Universidade de Manchester

Pioneirismo brasileiro na construção civil

A industrialização é hoje um dos maiores temas no setor de construção civil. Atualmente uma cadeia produtiva com alto consumo de matéria prima, água e combustíveis fósseis e elevada geração de CO2 (são 0,7 tonelada para cada tonelada de cimento produzido) é também uma das maiores empregadoras do Brasil e representa 7% do PIB. O futuro do setor passa por mais produtividade, performance e sustentabilidade e o grafeno é uma das grandes chaves para que novas tecnologias sejam implantadas. O nanomaterial apresenta excelente compatibilidade com os compostos cimentícios que compõem a estrutura de hidratação dos concretos e argamassas. Além das melhorias nas propriedades mecânicas, tais como resistência a compressão, tração e tenacidade, proporciona aumento da durabilidade dos produtos finais devido à expressiva redução da porosidade. Com esses benefícios já comprovados é possível apontar para uma redução da emissão de gás carbônico nos produtos produzidos com grafeno por meio de menor consumo de combustíveis fósseis na preparação dos concretos e argamassas. Atualmente, a rede de experts da Gerdau Graphene se dedica a desenhar produtos, partindo de necessidades do mercado brasileiro para materializar soluções para a cadeia de construção, com expectativa dos primeiros protótipos de mercado no primeiro semestre do próximo ano. A iniciativa não é só uma grande oportunidade para o setor, mas também coloca o Brasil em destaque em todo o mundo, já que torna o País pioneiro em escalar grafeno para a construção civil.

Uma nova fronteira no mercado de tintas

Quinto mercado mundial de tintas, o Brasil é também um dos mais maduros do setor, uma indústria que movimenta U$ 5 bilhões e produz 2 bilhões de litros por ano e está em pleno crescimento. O bom momento é propício para a incorporação de uma tendência em todo o mundo, os boosters a partir da nanotecnologia, em especial o grafeno. Sua composição geométrica permite que forme uma barreira protetora com menor custo e maior efetividade em relação a outros materiais. O grafeno traz ganhos consideráveis ao desempenho das tintas, incluindo propriedades anticorrosivas e barreiras em geral com aumentos impactantes na proteção de ativos. A indústria de tintas está globalmente e aceleradamente aprendendo a trabalhar em dimensões nanométricas. A Gerdau Graphene detém a tecnologia para apresentar diferentes soluções para cada tipo de tinta, com laboratório próprio dedicado às Américas e um grupo técnico de alto nível, e se apresenta como um fornecedor de soluções em matéria-prima para o setor. Além de seus centros desenvolvedores de soluções com grafeno para a indústria de tintas, introduz sua rede de desenvolvedores químicos e de processos para fornecer soluções com estabilidade e ganhos de produtividade tanto para construção civil quanto para os setores automotivos e industriais.

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artigo

Uma revolução no setor de polímeros, termoplásticos e plásticos termofixos

O segmento de polímeros é um dos principais campos de aplicação do grafeno. Suas características, altíssima área superficial, baixa densidade, alta razão de aspecto, alta propriedade mecânica, elétrica e térmica e boa compatibilidade com diversas matrizes poliméricas, representam grande potencial de revolucionar o setor. A produção de grafeno em alta escala e baixo custo, por meio de rotas como esfoliação líquida e química, tem tornado esse material muito acessível à indústria. O teor de grafeno necessário para o desenvolvimento de materiais de alta performance é outro fator atrativo. É possível alcançar os objetivos desejados para o material, adicionando concentrações muitas baixas. O material pode ser aplicado em muitos segmentos da indústria de plástico: embalagens rígidas e flexíveis, brinquedos, eletrodomésticos, indústria automobilística e aeroespacial, entre outros. A seleção do tipo de grafeno para o desenvolvimento de novos materiais é uma questão crítica. Os polímeros apresentam estruturas químicas variadas e aplicações diferentes, os quais requerem grafenos com características específicas para cada polímero e aplicação. O uso inadequado de certo tipo grafeno em determinada matriz, processo ou aplicação pode inviabilizar o sucesso desejado. Na Gerdau Graphene, juntamente com pesquisadores e especialistas industriais, trabalhamos a seleção correta do grafeno, sua adequação ao processo fabril e a aplicação final do produto.

Mais valor agregado no segmento de elastômeros

O Brasil ocupa a importante posição de maior mercado para elastômeros da América Latina, segundo mercado nas américas e oitavo mercado mundial, com um consumo de mais de 850 mil toneladas por ano de borracha natural e borrachas sintéticas. Com uma indústria bem diversificada e tecnologicamente bem posicionada, com a presença de importantes fabricantes brasileiros e líderes mundiais dos segmentos de pneus, reforma de pneus, correias transportadoras, peças técnicas automotivas e calçados, a indústria brasileira acompanha de perto os avanços tecnológicos do setor. Nesse mercado, o grafeno, com sua elevada área superficial, baixa densidade, alta razão de aspecto, alta propriedade mecânica, elétrica e térmica, passa a agregar valor ao produto final. Sua aplicação garante redução de peso, aumento da resistência mecânica, aumento da durabilidade, melhoria do desempenho em condições dinâmicas, melhoria das propriedades de barreira, condutividade térmica e elétrica e o aumento das propriedades físico-mecânicas de materiais reciclados.

Redução de CO2 por meio do aumento da eficiência energética

As perdas por atrito em um motor de combustão interna representam cerca de 10% da energia do combustível mas, como ocorrem só após a combustão, acabam respondendo por 25% do consumo. O grafeno combina propriedades únicas, com grande potencial para uso em aditivos de lubrificantes. Aliado a seu baixíssimo coeficiente de atrito, o material tem alta condutibilidade térmica e enorme razão entre a área superficial e o volume. Assim, uma pequena porcentagem de grafeno pode recobrir uma grande área, reduzindo o atrito e o desgaste e “retirando” calor das peças em contato. Além disso, o grafeno também reduz a degradação do lubrificante e aumenta sua capacidade de neutralizar ácidos. Tal característica, se comprovada em aplicações comerciais, pode permitir o aumento do intervalo de troca do motor e a redução de aditivos à base de fósforo e zinco, hoje usados em lubrificantes, contaminando os dispositivos de tratamento de emissões. De modo similar, o grafeno pode ser usado em graxas e outros lubrificantes utilizados em máquinas industriais, reduzindo as perdas por atrito, o desgaste e a necessidade de manutenção.

Alexandre Corrêa, diretor geral da Gerdau Graphene

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artigo

GRAFENOS PRODUZIDOS E APLICADOS NO CENTRO DE TECNOLOGIA EM NANOMATERIAIS E GRAFENO DA UFMG por Vinicius G. de Castro, Thiago Cunha, Rodrigo G. Lacerda e Glaura G. Silva

Resumo

Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da UFMG (CTNano/UFMG) foi implantado através de uma parceria entre a universidade, empresas e o governo. Neste ambiente promotor de inovação são desenvolvidas tecnologias que incluem o escalonamento de produção de grafenos dos tipos: i) sintetizado por chemical vapour deposition (CVD), ii) esfoliado do grafite por método oxidativo (GO), e iii) reduzido a partir do GO (rGO). Neste trabalho, descrevemos brevemente algumas das linhas de pesquisa e das tecnologias que têm sido desenvolvidas. Um centro transdisciplinar em forte interação com empresas é um locus onde conhecimento, infraestrutura e pessoas contribuem de forma orgânica para que todas as condições sejam colocadas a favor da inovação.

Introdução

O grafeno é o material mais fino e resistente que se conhece [1] e envolve uma combinação de propriedades excepcionais, como módulo de Young de aproximadamente 1 TPa e resistência à tração em torno de 130 GPa [2]. O grafeno monocamada é composto por uma folha de carbono em que os átomos se organizam em arranjos hexagonais com hibridização sp2 e, além de ser transparente, apresenta uma habilidade extraordinária para conduzir eletricidade e calor [3], com potencial para revolucionar diversos setores industriais. Mas a família dos grafenos é composta por muitos membros e inclui grafenos de múltiplas camadas, até no máximo 10, e óxido de grafeno e sua forma reduzida [4]. O crescente interesse em filmes contínuos de grafeno vem sendo impulsionado principalmente pelo desenvolvimento de aplicações em wearables, condutores transparentes, sensores e eletrônica de alto desempenho [5]. Existem diferentes formas de se produzir camadas contínuas de grafeno com apenas um átomo de espessura, porém o método de deposição química de vapor (CVD) é considerado a abordagem mais promissora por ser compatível com a produção em larga escala, possibilitando a

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deposição de grafeno com alta qualidade cristalina sobre grandes áreas [6]. O CTNano/UFMG possui infraestrutura para produção e desenvolvimento tecnológico com base em grafeno CVD, como será descrito neste artigo. Rotas de oxidação e esfoliação do grafite em fase líquida para produção de óxido de grafeno (GO) têm se tornado extremamente importantes na atualidade pela sua versatilidade, potencial para aumento de escala, baixo custo do grafite e alta disponibilidade desta matéria-prima [7]. Dentre as múltiplas alternativas para produção de GO, destaca-se o método de Hummers e suas formas modificadas [8,9]. No entanto, os processos reportados ainda demandam longos tempos de tratamento e custos elevados, com reações que envolvem horas de duração seguidas de demoradas etapas de lavagem e separação [10]. A equipe do CTNano/UFMG desenvolveu a produção eficiente de GO/rGO e tem aplicado esses nanomateriais em uma ampla gama de tecnologias, como em compósitos poliméricos, revestimentos, componentes de supercapacitores, entre outros. A escolha do método de produção do grafeno (CVD, esfoliação mecânica ou em fase líquida, dentre outros) deve ser realizada com foco nas propriedades de interesse da aplicação tecnológica pretendida. O tamanho (espessura e área) dos flocos do grafeno, por exemplo, tem uma contribuição significativa em seu desempenho. O grafeno pode ser utilizado de diversas formas, como grafeno modificado (óxido de grafeno, óxido de grafeno reduzido), funcionalizado com compostos orgânicos ou inorgânicos, combinados com outros nanomateriais, dentre outras possibilidades, o que reforça a versatilidade e caráter inovador de sua utilização em novas tecnologias [11]. Deve-se, entretanto, abordar o desenvolvimento de produtos com o uso de grafeno, buscando com grande ênfase a reprodutibilidade e a sustentabilidade em todas as etapas do processo.

Grafeno CVD e aplicações

De forma sucinta, a técnica CVD pode ser definida como a formação de uma estrutura sólida a partir da decomposição e deposição

artigo

de moléculas de um gás. No caso do grafeno, a reação ocorre sobre a superfície aquecida de um metal de transição (ex. cobre, níquel), onde os átomos de carbono provenientes de um gás hidrocarboneto se condensam e formam uma camada contínua sobre a superfície [12]. Este processo pode ser divido em duas etapas: pirólise do gás contendo carbono e formação da estrutura do grafeno a partir dos átomos/moléculas de carbono dissociados. O primeiro estágio ocorre sobre a superfície do substrato, que atua como catalisador, reduzindo a temperatura necessária para a decomposição pirolítica do precursor gasoso. O segundo estágio envolve a criação de uma estrutura contínua de carbono sobre a superfície do metal a partir da ligação química dos átomos de carbono dissociados na etapa anterior. Assim como na pirólise, o metal de transição tem um papel fundamental durante a formação do filme de carbono, reduzindo a temperatura da reação (que seria em torno de 2500oC sem o catalisador) para valores próximos de 1000oC. Apesar do método CVD ser significativamente mais caro que outros processos comumente empregados para produção de grafeno em larga escala, ele ainda é a melhor maneira de se obter grafeno de alta qualidade cristalina. Os filmes de grafeno CVD apresentam número de camadas bem definido, alta homogeneidade, impermeabilidade, boa condutividade térmica e elétrica e baixo teor de contaminantes. Estas características tornam este material particularmente atraente para aplicações eletrônicas altamente tecnológicas. Na indústria automotiva, por exemplo, o grafeno CVD pode ser incorporado a diversos componentes automotivos, na forma de sistemas eletrônicos embebidos, tal como antenas em janelas para comunicação entre veículos e aquecedores transparentes para degelo de vidros e para-brisas. Além disso, o grafeno CVD também pode ser utilizado no desenvolvimento de elementos termoelétricos capazes de recuperar parte do calor gerado pelo motor. Por fim, este material também mostra enorme potencial em aplicações de sensoriamento, particularmente na confecção de

sensores de gases, capazes de permitir uma operação mais eficiente do motor a partir do monitoramento contínuo dos gases gerados durante a combustão. Atualmente, a tecnologia de sensoriamento de gases é a principal linha de pesquisa do CTNano utilizando o grafeno CVD (Figura 1).

Produção de GO, rGO e aplicações

Existem desafios proeminentes para a produção de GO com elevada qualidade e por meio de processos com alta eficiência operacional (Figura 2). Apesar do potencial para aumento de escala da oxidação/esfoliação do grafite, fabricantes internacionais comercializam nanomateriais com diversos problemas de qualidade, o que é bem conhecido por pesquisadores da área e discutido em feiras internacionais voltadas para a indústria (como a TechConnect World Innovation e a Industrial Nanocomposites Conference). A disponibilidade de GO em alta escala, baseada em processos com maior viabilidade técnico-econômica e com elevada qualidade, é uma das principais demandas para sua introdução expressiva na indústria e para a evolução da sua cadeia de valor até os bens de consumo finais. Portanto, tecnologias que aliem uma alta escala de produção com uma qualidade adequada do GO são necessárias para viabilizar as aplicações deste nanomaterial. O CTNano/UFMG desenvolveu uma rota de oxidação de grafite e esfoliação por ultrassom com baixo consumo de insumos e curtos períodos de tempo requeridos em ambas as etapas [13]. A Figura 2 apresenta imagens do grafite mineral de insumo e do óxido de grafeno produzido. O ajuste da potência, temperatura, tempo de exposição e meio oxidante foi realizado para a obtenção de um alto grau de esfoliação e de oxidação sem um comprometimento significativo da qualidade estrutural das nanofolhas. O emprego de nitrato de sódio foi eliminado do processo, o que beneficia a segu-

Figura 1. Produção, transferência e aplicação de grafeno CVD no CTNano/UFMG

Revista Grafeno | outubro 2021 | 19

artigo

Figura 2. Imagens do grafite mineral e do óxido de grafeno produzido pelo CTNano/UFMG. Esquema da rota de oxidação e esfoliação do grafite para obtenção de GO.

rança operacional pelo fato dessa substância gerar gases tóxicos. O impacto de grafites de diferentes origens e faixas granulométricas no rendimento e na qualidade do GO também foi avaliado para a especificação da matéria-prima mais adequada. A obtenção de resultados mais expressivos e rápidos para condições operacionais moderadas constitui uma novidade bastante relevante ao que tradicionalmente se espera das reações químicas envolvidas. Assim, um efeito sinérgico entre a eficiência operacional e a alta qualidade dos nanomateriais foi observado. O GO produzido apresenta um alto grau de oxidação (> 30%), elevada estabilidade térmica, alto grau de esfoliação (distribuição de 1 a 5 nanofolhas) e uma preservação adequada das suas dimensões laterais. A pesquisa e desenvolvimento que gerou a qualidade e escala do GO hoje atingida no CTNano/UFMG foi resultado de uma acumulação de know how científico e tecnológico específico de 8 anos de trabalho. Mas, deve-se ressaltar que a trajetória anterior de 20 anos das equipes do centro com nanotubos de carbono formaram uma base sólida para abordar o trabalho com os grafenos. Os grafenos produzidos no centro foram aplicados por pós-graduandos em mestrado e doutorado para testar diferentes propriedades e um conjunto de mais de 15 artigos científicos foram publicados pela equipe. A fim de apresentarmos uma visão geral das contribuições do grupo em forma de artigos científicos, nos quais o papel do GO/rGO é fundamental, mostramos na Tabela 1.

Correlação produção científica / desenvolvimento tecnológico e de produtos Os artigos científicos na Tabela 1 demonstram a atuação que em alguns casos foi acompanhada de desenvolvimentos em parceria intensa com empresas. Alguns dos artigos foram precedidos de depósitos de patentes associadas a esses resultados [13, 14, 21, 25, 26]. A equipe do CTNano/UFMG e colaboradores têm trabalhado com GO e rGO aplicados em diferentes eletrodos

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Figura 3. Visão esquemática da correlação produção científica vs desenvolvimento de produtos e inovação no ecossistema do centro de tecnologia CTNano/UFMG.

e eletrólitos para supercapacitores, tendo sido financiada por empresas do setor de óleo e gás através de um consórcio internacional “Advanced Energy Consortium”. Nesta linha temos, portanto, um excelente exemplo de convergência entre demanda de empresas e parceria internacional que levou à produção de artigos de alto impacto [14, 17, 18] e também do depósito de uma patente com a Rice University – EUA. A parceria da equipe com a empresa Petrobras foi construída por mais de 10 anos,

artigo

Tabela 1. Artigos científicos publicados pela equipe do CTNano/UFMG com o uso de GO e rGO em diferentes formulações e para diferentes aplicações

Aplicação

Material com GO ou rGO

Outros, fluidos e compósitos

Componentes para dispositivos de energia

Eletrodo de supercapacitor Compósito rGO/líquido para uso a altas temperaiônico – argila turas – 2013 Eletrodo de supercapacitor Híbrido líquido iônico com stacking de camadas polimérico –rGO – 2014

[14] [15]

Eletrodo de supercapacitor Nanocompósito rGO/nanoconstruído no plano – [16] tubos de carbono 2016

Eletrodo de supercapacitor Compósito ternário rGO/ com alto desempenho – polipirrol/ nanopartícula de [17] 2017 zircônia Eletrodo de supercapacitor rGO como eletrodo em integrado com célula solar camadas com eletrólito – 2017 polimérico

Eletrólito de supercapaCompósito GO/ líquido citor com estabilidade iônico contra escoamento – 2018

Eletrodos de diferentes Líquido iônico tem interatipos de nanocarbonos ção favorável com rGO sendo comparados – 2020

[18] [19] [20]

Compósitos poliméricos estruturais, adesivos e revestimentos

Compósito de epóxi com multifuncionalidade – 2015

Compósito de epóxi – estudo do comportamento de longo termo – 2015 Compósito de epóxi com desempenho superior em propriedades mecânicas e condutividade térmica – 2018

Compósito de poliuretano com desempenho superior em propriedades mecânicas e condutividade térmica – 2020 Compósito de PLA com ganhos termomecânicos – 2020

Material com GO ou rGO

GO modificado covalentemente com tetraetilenopen- [21] tamina Go funcionalizado com isocianato

[22]

Híbrido de nanofolhas GO/h-BN (nitreto de boro hexagonal)

[23]

Híbrido de nanofolhas GO/h-BN (nitreto de boro hexagonal)

[24]

GO disperso em PLA filamento de impressão 3D

[25]

Produção laboratorial de GO de poucas camadas – 2015

Estabilidade coloidal de suspensões de GO – 2019 Hidrogel com poliacrilamida (PAM) para adsorção – 2020

Nanocompósito para fotocatálise – estrutura – 2019

Compósito para fotocatálise – síntese hidrotermal – 2019 Revestimento com propriedades eletro e fotossensíveis – 2021

Uso de método de micro-ondas para síntese de GO Fluido aquoso de GO e suas propriedades físico-químicas

[26] [27]

GO funcionalizado com amina e PAM via microondas

[28]

Nanocompósito rGO/TiO2

[29]

Nanocompósito rGO/TiO2

[30]

Camada rGO/TiO2

[31]

levou à produção científica de um conjunto trabalhos [21-24, 26-28] e a 4 patentes concedidas. A maturidade do processo de construção do conhecimento, formação de pessoas, implantação de infraestrutura, desenvolvimento de tecnologias e aumento de escala de produção de nanomateriais no CTNano/UFMG está culminando neste momento para frutos em termos de criação de empresas spin offs e negociação para licenciamentos de patentes. A Figura 3 mostra um desenho do arranjo de esforços ocorrendo em paralelo dentro das equipes de dezenas de pesquisadores do centro.

Considerações finais

Em fronteiras tecnológicas complexas, como materiais avançados e nanotecnologia, a curva de aprendizado para a geração de produtos exige um tempo de amadurecimento que lhe é própria e pode exigir alguns anos. A inovação que nasce na transição de tudo que ocorre em um centro de tecnologia, ou grupos de ICTs diversas, e as empresas que trabalham com eles, é um resultado colaborativo que exige de cada parceiro o seu melhor. Não há atalho fácil para o desenvolvimento de soluções tecnológicas em materiais e nanotecnologias, existem rotas otimizadas a partir de experiência sólida, competências interdisciplinares, infraestrutura compartilhada, investimentos regulares, gestão inteligente, e outros fatores macrosistêmicos. O uso sustentável de grafeno como

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artigo

aditivo ou componente principal em produtos diversos deve trilhar o caminho que demonstre reprodutibilidade de resultados, ganhos consistentes em propriedades e viabilidade econômica concreta com impacto ambiental controlado.

[15] Trigueiro, João Paulo C. ; Lavall, Rodrigo L. ; Silva, Glaura G. . SUPERCAPACITORS BASED ON MODIFIED GRAPHENE ELECTRODES WITH POLY (IONIC LIQUID). Journal of Power Sources, v. 256, p. 264-273, 2014.

Agradecimentos

[17] Alves, Ana PaulaP. ; Koizumi, Ryota ; Samanta, Atanu ; Machado, Leonardo D. ; Singh, Abhisek K. ; Galvão, Douglas S. ; Silva, Glaura G. ; Tiwary, Chandra S. ; Ajayan, Pulickel M. . ONE-STEP ELECTRODEPOSITED 3D-TERNARY COMPOSITE OF ZIRCONIA NANOPARTICLES, RGO AND POLYPYRROLE WITH ENHANCED SUPERCAPACITOR PERFORMANCE. Nano Energy , v. 31, p. 225-232, 2017.

Os autores agradecem ao INCT de Nanomateriais de Carbono - MCTI, aos órgãos de financiamento CNPq, Capes, Fapemig, Finep, ao BNDES e à Petrobras.

Referências

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22 | outubro 2021 | Revista Grafeno

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[23] Ribeiro, Hélio ; Trigueiro, João P.C. ; Owuor, Peter S. ; Machado, Leonardo D. ; Woellner, Cristiano F. ; Pedrotti, Jairo J. ; Jaques, Ygor M. ; Kosolwattana, Suppanat ; Chipara, Alin ; Silva, Wellington M. ; Silva, Carlos J.R. ; Galvão, Douglas S. ; Chopra, Nitin ; Odeh, Ihab N. ; Tiwary, Chandra S. ; Silva, Glaura G. ; Ajayan, Pulickel M. . HYBRID 2D NANOSTRUCTURES FOR MECHANICAL REINFORCEMENT AND THERMAL CONDUCTIVITY ENHANCEMENT IN POLYMER COMPOSITES. Composites Science and Tecnology , v. 159, p. 103-110, 2018. [24] Ribeiro, Hélio ; Trigueiro, João P.C.; Woellner, Cristiano F. ; Pedrotti, Jairo J.; Miquita, Douglas R. ; Silva, Wellington M. ; Lopes, Magnovaldo C. ; Fechine, Guilhermino José M. ; Luciano, Milene A. ; Silva, Glaura G. ; Ajayan, Pulickel M. . HIGHER THERMAL CONDUCTIVITY AND MECHANICAL ENHANCEMENTS IN HYBRID 2D POLYMER NANOCOMPOSITES. Polymer Testing, v. 87, p. 106510, 2020. [25] Cambraia, Luciana V. ;Ferreira, Felipe L. Q. ; Bernardes, Matheus R. F. ;Silva, Glaura G. ; DESENVOLVIMENTO DE FILAMENTOS DE PLA E ÓXIDO DE GRAFENO PARA MELHORIA TERMOMECÂNICA DE PEÇAS PRODUZIDOS POR IMPRESSÃO 3D, Brazilian Journal of Development Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 9, p.69623-69636 , 2020. ISSN 2525-876169623

[26] Viana, MarceloM. ; Lima, Meiriane C. F. S. ; Forsythe, Jerimiah C. ; Gangoli, Varun S. ; Cho, Minjung ; Cheng, Yinhong ; Silva, Glaura G. ; Wong, Michael S. ; Caliman, Vinicius . FACILE GRAPHENE OXIDE PREPARATION BY MICROWAVE-ASSISTED ACID METHOD. Journal of the Brazilian Chemical Society, v. 26, p. 978-984, 2015.

artigo

[27] Nuncira, J. ; Seara, L. ; Sinisterra, R. ; Caliman, Vinicius ; Silva, Glaura G . LONG-TERM COLLOIDAL STABILITY OF GRAPHENE OXIDE AQUEOUS NANOFLUIDS. FULLERENES, NANOTUBES AND CARBON NANOSTRUCTURES , v. 28, p. 407-417, 2020

[28] Viana, MarceloM. ; Do Amparo, Sthéfany Z.S. ; Lima, Meiriane C.F.S. ; Lopes, Raquel C.F.G. ; Vasconcelos, Cláudia K.B. ; Caliman, Vinicius ; Silva, Glaura G. . MICROWAVE-ASSISTED SYNTHESIS OF POLYACRYLAMIDE-AMINATED GRAPHENE OXIDE HYBRID HYDROGEL WITH IMPROVED ADSORPTION PROPERTIES. Journal of Environmental Chemical Engineering , v. 8, p. 104415, 2020.

LEIA ONLINE

[29] Gonçalves, BrunoS. ; Silva, Lucas M.C. ; de Souza, Tarcizo C.C. ; de Castro, Vinícius G. ; Silva, Glaura G. ; Silva, Bruno C. ; Krambrock, Klaus ; Soares, Renata B. ; Lins, Vanessa F.C. ; Houmard, Manuel ; Nunes, Eduardo H.M. . SOLVENT EFFECT ON THE STRUCTURE AND PHOTOCATALYTIC BEHAVIOR OF TIO2-RGO NANOCOMPOSITES. Journal of Materials Research, v. 34, p. 3918, 2019.

[30] Gonçalves, BrunoS. ; Palhares, Hugo G. ; Souza, Tarcizo C.C. de ; Castro, Vinícius G. de ; Silva, Glaura G. ; Silva, Bruno C. ; Krambrock, Klaus ; Soares, Renata B. ; Lins, Vanessa F.C. ; Houmard, Manuel ; Nunes, Eduardo H.M. . EFFECT OF THE CARBON LOADING ON THE STRUCTURAL AND PHOTOCATALYTIC PROPERTIES OF REDUCED GRAPHENE OXIDE-TIO2 NANOCOMPOSITES PREPARED BY HYDROTHERMAL SYNTHESIS. Journal of Materials Research and Technology-JMR&T , v. 8, p. 6262-6274, 2019. [31] Silva, Lucas M.C. ; Gonçalves, Bruno S. ; Braga, Jorgimarade O. ; de Souza, Tarcizo C. ; de Castro, Vinícius G. ; Silva, Glaura G. ; Lacerda, Glenda R.B.S. ; Matencio, Tulio ; Barbosa, Tiago C. ; Viana, Carlos M. ; Houmard, Manuel ; Nunes, Eduardo H.M. . PREPARATION OF TITANIA-REDUCED GRAPHENE OXIDE COMPOSITE COATINGS WITH ELECTRO- AND PHOTOSENSITIVE PROPERTIES. Applied Surface Science , v. 538, p. 148029, 2021.

Vinicius G. de Castro, Thiago Cunha, Rodrigo G. Lacerda e Glaura G. Silva, Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, CEP 30.270-901, Brasil (glaura.silva@ctnano.org)

As revistas Industrial Heating, FORGE, Engrenagens - Gears Magazine e a Estampagem Stamping Magazine são disponibilizadas gratuitamente na Banca Digital do Portal Aquecimento Industrial, junto com informações relevantes sobre a Indústria Metalmecânica no Brasil e do mundo.

Revista Grafeno | outubro 2021 | 23

artigo

AS MUITAS FACES DO GRAFENO por Fernando Galembeck

rafeno é um material dotado de propriedades únicas que despertam grande atenção da mídia. Mas o que está sendo feito com grafeno, na prática? Em 2020, o valor de mercado dos produtos baseados em grafeno chegou a US$ 620 milhões, com projeções de crescimento até US$ 1,479 bilhão em 2025, com um CAGR de 19,0%1. Ou seja o valor de mercado dos produtos de grafeno ainda é inferior ao dos nanotubos de carbono (US$ 876 milhões em 2021, projeção de US$ 1,714 bilhão em 2026, CAGR de 14.4%. As estimativas sobre o mercado dos negros de fumo ou carbonos coloidais, que são produtos industriais muito mais antigos, variam entre US$ 12 e 17,5 bilhões em 2019-20, podendo atingir US$ 25,0 bilhões até 2026, crescendo a um CAGR estimado em 3,5 a 6%. A indústria do grafeno está crescendo devido ao aumento da demanda para várias aplicações, globalmente. A taxa de crescimento do grafeno deve diminuir em 2020 devido ao Covid-19, mas o fim do bloqueio e a recuperação nas indústrias de uso final deverá estimular a demanda. Para prever o que virá nas próximas décadas, podemos investigar o que os pesquisadores de grandes empresas, de universidades e dos centros de pesquisas que trabalham para criar produtos e processos revolucionários estão fazendo. Isso é revelado pelo exame de patentes que foram e estão sendo depositadas por diferentes pessoas e organizações, bem como os artigos publicados pelos pesquisadores, em revistas de ampla circulação. Grafeno é uma palavra já antiga na literatura, designando cada uma das lâminas de espessura atômica que formam os cristais de grafite. Mas o interesse pelo grafeno cresceu muito desde o famoso artigo de Novoselov, Geim e colaboradores publicado na revista Science em 20042, que mostrou singularidades

importantes nas suas propriedades. A figura 1 mostra a variação no número de artigos científicos publicados ano a ano, cuja soma alcançou 262.032, no fim de Julho de 2021. Observa se atualmente uma tendência à diminuição das taxas de crescimento. Ou seja, podemos estar chegando ao patamar superior da curva em S que é normalmente observada quando surge uma onda de interesse em algum material, conceito ou qualquer coisa que represente novos conhecimentos capazes de terem grandes impactos sobre a economia e a cultura. O número de patentes depositadas é de 103.970, menor que o de artigos. A tabela 1 apresenta os principais depositantes de patentes em todo o mundo e revela o grande peso de empresas, universidades e centros de pesquisa na Coreia do Sul e na China, que ocupam grande parte das primeiras colocações nessa lista. Participam companhias de vários setores industriais evidenciando a expectativa de que o grafeno contribua para a criação de uma grande gama de novos produtos revolucionários, além do aperfeiçoamento de muitos produtos já bem conhecidos e muito disseminados, de muitos setores industriais. Com uma enorme variedade de aplicações potenciais, não é de admirar que empresas, empresas estatais e institutos de pesquisa tenham se apressado em obter patentes para iniciar o “processo de emparedamento” de potenciais espaços de produtos e mercados, criando assim barreiras à entrada de futuros competidores nos mercados de produtos de grafeno. Essa estratégia já era perceptível em 20133, e continua. A Tabela 1 revela muitos fatos interessantes. Nota-se uma grande participação de universidades chinesas, que poderia ser interpretada como uma distorção dos objetivos das universidades. Elas estariam sendo engajadas em projetos muito aplicados,

1 Markets and Markets, “Graphene Market by Type (Bulk, Monolayer), Application (Composites, Paints, Energy Storage, Electronics, Catalyst and Tire) , End-use Industry (Automotive, Aerospace, Electronics, Military and Construction) and Region - Global Forecast to 2025” https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/graphene-market-83933068.html 2 Novoselov, K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666–669 (2004).

3 John C. Lang, em “Business Insider”de Abril/2013, https://www.businessinsider.com/graphene-where-business-and-science-collide-2013-4.

24 | outubro 2021 | Revista Grafeno

artigo

deixando de lado a pesquisa básica. Mas o mesmo peso da China nas patentes também é observado nas publicações em muitas revistas científicas que gozam de alta reputação. Portanto, os pesquisadores chineses estão fazendo, em grande escala, algo que é sempre muito anunciado, mas pouco praticado: criar conhecimento novo de fronteira e ao mesmo tempo transformar esse conhecimento nos germes de novas tecnologias, de novos produtos, processos industriais e serviços. Em resumo: descobrir o que ainda não se sabe, transformando as descobertas em riqueza. Isso mostra o quanto a China evoluiu desde o começo do século 21, saindo da condição de fabricante de quinquilharias e reprodutor de produtos criados em outras partes do mundo, tornando-se um grande polo de descoberta científica e produção tecnológica. Na Tabela 1 aparecem três instituições que têm papéis muito importantes, nos seus países: a Universidade de Tsinghua, o KAIST e o MIT. Há poucas décadas, professores de Tsinghua e do KAIST tinham orgulho em dizer que suas instituições eram os “MITs” dos seus países. Hoje, elas ombreiam com o seu modelo, quantitativa e qualitativamente. Essas duas instituições se tornaram Mecas de aprendizado tecnológico e científico para jovens pesquisadores de todo mundo. Apesar das óbvias tensões políticas entre esses países, importantes empresas como a Samsung coreana, a Foxconn de Taiwan e a IBM mantêm laboratórios de pesquisa e desenvolvimento na China, beneficiando-se da sua infraestrutura e da reconhecida qualidade dos pesquisadores chineses. As patentes sobre grafeno têm caráter interdisciplinar e quase sempre envolvem conhecimentos de várias áreas de pesquisa. As áreas que mais contribuem, bem como os números de patentes em que estão envolvidas são: Química (‎82.149)‎, Engenharia (‎73.707)‎, Ciência de Polímeros (‎55.944)‎, Ciência dos Materiais (‎48.051)‎, Instrumentos e Instrumentação (‎43.995)‎.2

E o que patenteia uma grande empresa inovadora? Podemos formar uma primeira ideia lendo os títulos de patentes recentes da IBM, que estão na Tabela 2. Portanto, estes poucos exemplos de patentes da IBM tratam da fabricação de novos dispositivos semicondutores, de dispositivos para a análise genômica, para a separação de partículas (usando diferentes fenômenos), e também microfluídica, baterias de lítio e dispositivos para formação de imagens, para uso médico e em prospecção geológica. É um amplo portfólio, como se deve esperar de uma empresa gigantesca e muito inovadora, que por isso mesmo foi capaz de se reinventar ao longo de décadas. A antiga fabricante de computadores de grande porte (os “mainframes”) está agora explorando várias possibilidades de aplicação do grafeno em produtos que exploram desenvolvimentos importantes, atuais e voltados para o futuro. E a Tabela 2 também mostra que as patentes da IBM são frequentemente compartilhadas entre unidades de diferentes países, e terceiros. Essa empresa é capaz de reunir as diversas contribuições necessárias para atingir objetivos tecnológicos ambiciosos. Podemos examinar dados de empresas inovadoras de outros setores industriais, como a Robert Bosch, do setor automotivo e de mobilidade. A tabela 4 mostra exemplos de patentes da Bosch, selecionadas entre as mais recentes. A leitura desses títulos, todos eles datados de 2019 a 2021, revela a sua vinculação às necessidades de uma empresa fabricante de partes e sistemas elétricos para automóveis e caminhões. Os produtos almejados são as pilhas de combustível e condutores destinados à fabricação de motores elétricos. A Bosch é a única titular de todas essas patentes portanto ao menos nessa área ela não está praticando inovação aberta. A crescente eletrificação dos meios de transporte obviamente cria um enorme número de oportunidades para o grafeno, além

Figura 1. Número de artigos científicos publicados entre 1990 e 2020, tratando de diferentes aspectos do grafeno: produção, propriedades e aplicações.

Revista Grafeno | outubro 2021 | 25

artigo

Tabela 1. Relação dos principais depositantes de pedidos de patentes envolvendo grafeno, em ordem decrescente do número de pedidos de patentes [Dados extraídos da Coleção Principal do Web of Science em Julho de 2021.]

Y T LEE

Depositante

UNIV ZHEJIANG

SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD

UNIV TSINGHUA

HARBIN INST TECHNOLOGY

UNIV SOUTH CHINA TECHNOLOGY

UNIV CHINA ELECTRONIC SCI TECHNOLOGY

NANOTEK INSTR INC

UNIV TIANJIN

UNIV JIANGSU

UNIV DONGHUA

UNIV SOUTHEAST

UNIV CENT SOUTH

UNIV SHANGHAI JIAOTONG

UNIV JINAN SHANDONG

UNIV BEIJING CHEM TECHNOLOGY

UNIV CHANGZHOU

INT BUSINESS MACHINES CORP

UNIV SUNGKYUNKWAN RES BUSINESS FOUND

CHENGDU NEW KELI CHEM SCI CO LTD

UNIV SICHUAN

OCEANS KING LIGHTING SCI TECHNOLOGY CO

UNIV PEKING

UNIV SHAANXI SCI TECHNOLOGY

LG CHEM LTD

UNIV FUDAN

UNIV SHANGHAI‎

KOREA INST SCI TECHNOLOGY

NINGBO INST MATERIALS TECHNOLOGY ENG C

SHENZHEN OCEANS KING LIGHTING SCI TECH

UNIV JIANGNAN

CHINA PETROLEUM CHEM CORP

UNIV XIAN JIAOTONG

CAS DALIAN CHEM PHYSICAL INST

…

UNIV CALIFORNIA

…

GLOBAL GRAPHENE GROUP INC

KOREA ADVANCED SCI TECHNOLOGY INST (KAIST)

TOSHIBA KK

…

MASSACHUSETTS INST TECHNOLOGY (MIT)

26 | outubro 2021 | Revista Grafeno

País

Coréia do Sul

China

Coréia do Sul

China

Estados Unidos

China

Estados Unidos

Coréia do Sul

China

Coréia do Sul

China

Coréia do Sul

China

…

Estados Unidos

…

Estados Unidos

Coréia do Sul

Japão

…

Estados Unidos

664

659

556

529

476

430

426

423

421

407

405

388

385

371

369

354

347

339

337

335

329

328

327

314

307

302

288

285

276

272

269

268

…

183

…

144

135

134

…

130

Número de pedidos

artigo

Tabela 2. Dez patentes recentes da IBM, sobre grafeno

Número da patente

Título

Depositante

WO2021019320-A1; US2021036323-A1

Battery includes an anode, an electrolyte ... incorporated into an electrically conductive material

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK; IBM CHINA

US10256306-B1; WO2019106516-A1; CN111328429-A...

Vertically integrated multi-spectral imaging sensor for medical imaging and geological survey...

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK; IBM CHINA

US2018375098-A1; WO2018234936-A1; CN110637391-A; ...

Battery useful as a lithium-oxygen battery, comprises a lithium anode ... and a thin graphene cathode formed on a substrate

INT BUSINESS MACHINES CORP; ASELSAN ELECTR. SANAYI VE TICARET AS; IBM UK LTD; et. al

US2017292934-A1; WO2017175083-A1; DE112017001898-T5; ...

Method for manipulating and trapping particle in microfluidic device... separating micro/nano-particles ...that respond to ... dielectrophoretic (DEP) force ...

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK; IBM CHINA

US2017108362-A1; WO2017064578-A2; US9702748-B2; ...

Method for detecting magnetic nanoparticles in fluid for biological assays ... measuring alternating current Hall voltage at sensing device

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM CHINA; IBM UK LTD

US2015377830-A1; WO2015198242-A1; CN106461584-A; ...

Detecting translocation events associated with first target molecule ... assembly including first graphene sheet bounded by solid-state membranes and nanopore

BALDAUF J S; DOWNTON M; GUNN N; et. al

US2014326604-A1; WO2014181203-A2; WO2014181203-A3; ...

Base recognition in integrated device, comprises driving target molecule into nanopore ... measuring transistor current and determining single base identity

HAN S; ROYYURU A K; STOLOVITZKY G A; et. al

WO2012004186-A1; US2012007054-A1; US2012292597-A1; ...

Forming a semiconductor device comprises removing ... and forming conductive contacts in the cavities

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK LTD

US2011309334-A1; WO2011160922-A1; DE112011100901-T5; ...

FET formation by depositing channel material comprising graphene or nanostructure on substrate, ... and patterning contact material to form self-aligned contact for FET

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK LTD

WO2011144423-A1; US2011284818-A1; TW201207994-A; ...

Semiconductor device has complementary metal oxide semiconductor device layer that is ... connected to graphene channel respectively

INT BUSINESS MACHINES CORP; IBM UK LTD; GLOBALFOUNDRIES INC

de criar parcerias tecnológicas entre empresas de setores econômicos bem distintos, como estas duas patentes canadenses da Panasonic e Tesla Motors4: CA3071314A1, Nouveaux systemes de batterie a base de difluorophosphate de lithium, e CA3010941A1, Nouveaux systemes de batteries bases sur des systemes d’electrolyte a deux additifs comprenant de la 2-furanone…

Introduzindo grafeno nos produtos industriais

Lendo as patentes, percebe-se uma grande variedade de estratégias para incorporar o grafeno nos diferentes produtos que se quer criar ou aperfeiçoar, explorando suas excepcionais propriedades. Uma grande limitação é a espessura do grafeno, de apenas um

4 Fonte: Google Patents.

Revista Grafeno | outubro 2021 | 27

artigo

Tabela 3. Dez patentes recentes da Robert Bosch, sobre grafeno

Número do documento

Título

Titular

WO2021139948-A1

Method for producing fuel cell...using sheet or film made of graphene which is reshaped ... for producing gas diffusion layer between membrane-electrode arrangement and bipolar plate

DE102019220177-A1

...electrical conductor of electrical machine, comprises material having doped graphene flakes to increase electrical conductivity of electrical conductor...

Electrically insulated graphene conductor e.g. graphene fiber, arranged in electrical machine, has transition area that is formed in graphene conductor ...

DE102019220214-A1 US2021159528-A1; DE102020214729-A1; KR2021064086-A; ...

Fuel cell membrane electrode assembly comprises polymer electrolyte membrane (PEM) and first and second electrodes...

DE102019219184-A1; WO2021115669-A1

Electrical conductor has electrically conductive material made of graphene and carbon nanotubes, and metallic coating for integral connection of electrical conductor to metallic conductor element...

DE102019217497-A1; WO2021094111-A1

Fuel cell system used in e.g. vehicle, has fuel cell that is provided with hydrogen recirculation path, and separation unit ... separating nitrogen from hydrogen

DE102019217087-A1

Electrical machine, has stator that has hollow cylindrical stator base body, winding forms winding head at each end of stator base body, winding head presses against wall section of housing, heat absorbing...

DE102019217464-A1; WO2021094018-A1

ROBERT BOSCH GMBH

Component e.g. rotor or stator of electrical machine, has pultrusion profiles... connected to one another by connecting conductors, so that electrical winding is formed

Manufacture of graphene fibers used for forming yarn, wet or dry spinning graphene...or graphene oxide fiber by using spinning solution containing multilayer graphene...magnetizable substance

DE102019216204-A1

... rotary electric motor mounted in electric vehicle, has carbon fiber coil winding ... in portion of tooth, ... made of electrically conductive carbon fiber and configured as excitation winding

DE102019214972-A1

Tabela 4. Comparação entre resistividades e resistências de folhas de grafenos, grafite e ERG

Grafeno (monocamada

Material

Grafeno (multicamada)

Grafeno (folhas finas esfoliadas sob alta pressão)

Grafeno (folhas finas esfoliadas por sonicação prolongada) Grafite (basal)

ERG (camada flexível, sobre papel)

Resistividade (Ω m−1)

10−8 10−6

2 × 10−5

2.3 × 10−3 2 × 10−6

nanometro (um bilionésimo de metro). Esta pequeníssima espessura impede que a sua excepcional resistividade elétrica se traduza em resistências elétricas muito baixas como mostra a tabela 5: a resistência elétrica de uma folha de grafeno é de 33 ohms por quadrado, muito superior à de uma folha de grafite. E não podemos resolver esse problema aumentando a espessura do grafeno, simplesmente empilhando as suas lâminas? Não, porque empilhando lâminas de grafeno a resistividade aumenta rapidamente, e o

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Resistência (Ω por quadrado) 33 33

0,3

0,6

Espessura (m)

3 × 10−10

3 × 10−8 (100 camadas) 3 a 50 × 10−6

6 × 10−6 (20k sheets)

resultado de empilhar muitas lâminas é o próprio grafite. Este exemplo mostra porque a estratégia de um empreendedor que quer introduzir grafeno nos seus produtos não pode ser igual à que funciona em muitos outros casos: não basta localizar um bom fornecedor, adquirir ou desenvolver uma boa tecnologia de incorporação de grafeno ao produto, produzir os protótipos e passar aos ensaios para verificar o seu desempenho. Isso não funciona como já havia sido alertado por Novoselov e Geim, no seu

artigo

Figura 2. Frente (à esquerda) e verso (à direita) de dois pedaços de lona, expostos à chama de um mini maçarico. Note-se a grande diferença na área danificada.

trabalho seminal: “Planar graphene itself has been presumed not to exist in the free state, being trustable with respect to the formation of curved structures such as soot, fullerenes, and nanotubes”. Grafeno puro inexiste no estado livre, devido a fatores muito básicos, bem conhecidos dos estudantes de Colóides: a área de 1 g de lâminas de 0,335 nm de espessura com densidade de 2,3 gramas por centímetro cúbico é de 1.300 metros quadrados! Tendo uma enorme área específica, a energia superficial do grafeno é muito elevada, e a Termodinâmica obriga as lâminas finíssimas a se transformarem espontaneamente, seja formando pilhas de lâminas, seja enrolando-se. Como ninguém deve esperar que as forças intermoleculares que atuam sobre as finíssimas lâminas de grafeno ou a Termodinâmica sejam revogadas, não se deve esperar que alguém consiga encher um frasco com grafeno propriamente dito, ou seja lâminas separadas, em forma estável. Portanto quaisquer esforços para se produzir grafeno de alta qualidade que não considerem seriamente a sua armazenagem e forma de incorporação aos produtos são inúteis. Isso explica a ausência dos grandes fabricantes de produtos químicos entre as empresas que oferecem grafeno à venda, sob diferentes formas – porque sabem que ninguém consegue oferecer, honestamente, um pó formado por lâminas individuais de grafeno. Esse problema tem sido resolvido de duas maneiras: ou usando a palavra “grafeno” para produtos que realmente não o são, ou trabalhando para se obter grafeno de forma organizada e estável nos produtos de aplicação, de maneira que ele possa manifestar suas propriedades. No laboratório do autor, isso foi feito gerando um novo material que chamamos de grafite esfolheado e reorganizado (em inglês, exfoliated and reassembled graphite, ERG). Esse material é produzido dispersando um pó de grafite em uma solução aquosa de celulose, na qual as lâminas se separam gradualmente, permanecendo dispersas. Quando se aplica a dispersão a uma superfície, as lâminas se reorganizam formando camadas condutoras extensas e flexíveis Sua resistividade é inferior à do grafeno e do grafite, mas é possível obter camadas suficientemente espessas e aderen-

tes, conseguindo-se resistências de superfície muito inferiores às conseguidas com grafeno, como está mostrado na Tabela 4. Este material já demonstrou sua utilidade em várias aplicações, que foram apresentadas em uma importante conferência realizada em Cambridge (UK). O artigo que descreve o material e algumas aplicações pode ser baixado livremente, da Internet5. Uma das aplicações mais imediatas é na produção de revestimentos resistentes à chama, para a proteção de madeiras, tecidos e outros materiais combustíveis, que depois de patenteada e premiada foi também publicada, em uma revista suíça6. A Figura XX mostra que o dano causado a uma lona protegida com ERG é muito menor que na lona desprotegida. O grafeno já mostrou que é uma fonte inesgotável de novos produtos revolucionários, seja sendo usado diretamente em microescala, seja sendo um intermediário na fabricação de novos materiais. Qualquer setor industrial, ou de serviços, ou do agronegócio pode se beneficiar do grafeno. Portanto, mãos à obra. Fernando Galembeck é bacharel, licenciado e doutor em Química pela USP onde começou sua carreira e chegou a livre-docente em 1977, depois de pós-doutorados nas Universidades do Colorado e da Califórnia e de um estágio no Unilever Research Port Sunlight Laboratory. Mudou-se para a Unicamp em 1980, tornando-se professor titular em 1987. Dirigiu o Instituto de Química entre 1994 e 1998, foi Coordenador Geral da Universidade e se aposentou em 2011, assumindo a direção do Laboratório Nacional de Tecnologia, do CNPEM. Sempre manteve uma atividade ninterrupta e intensa de ensino de graduação e de orientação de estudantes, expressa em uma extensa produção científica e tecnológica que foi premiada em muitas ocasiões, no Brasil e Exterior, destacando-se os prêmios Álvaro Alberto em 2005 e o prêmio Anísio Teixeira de Educação, em 2011. Em 2020, recebeu o Prêmio CBMM de Tecnologia, a sua startup Galembetech recebeu prêmios da Abiquim e Abrafati e em 2021 foi premiado como Pesquisador Emérito do CNPq. Muitos dos seus estudantes destacaram-se profissionalmente, em universidades e empresas, no Brasil e no Exterior, sendo também premiados em muitas ocasiões.

5 Santos, L. P. et al. Multifunctional coatings of exfoliated and reassembled graphite on cellulosic substrates. Faraday Discuss. 227, 105–124(2021). (Acesso livre)

6 Santos, L. P., da Silva, D. S., Morari, T. H. & Galembeck, F. Environmentally Friendly, High-Performance Fire Retardant Made from Cellulose and Graphite. Polymers (Basel). 13, (2021). https://www.mdpi.com/2073-4360/13/15/2400/htm.

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O PROJETO NACIONAL GRAFENO SAE BRASIL por Leandro Antunes Berti e Lucimara Stolz Roman

Nanotecnologia é a Engenharia da Vida, e está presente em nossas vidas desde seu início, ligada intimamente ao funcionamento dos organismos e parte essencial do ferramental da Natureza para criar toda sua diversidade. As estruturas celulares são compostas e controladas por nanoestruturas. A principal forma de montagem molecular da nanoescala é a automontagem, um processo natural onde componentes separados ou ligados, espontaneamente formam estruturas maiores. O material que compõem as estruturas celulares, como proteínas, enzimas e até mesmo o próprio DNA, são elementos naturais automontados em tamanho nanométrico. Atualmente, existem técnicas desenvolvidas por pesquisadores que já permitem a modelagem da sequência de um DNA sintético em computador e sua transferência para um objeto real em 2D como quadrados, retângulos, triângulos, objetos 3D (cubos, prismas e outras formas mais complexas), nanorrôbos podem ser programados para entregar a sequência correta de medicamentos e até mesmo calculadoras rudimentares1,2. Todo esse movimento está sendo, desde cedo, monitorado por fabricantes mundiais de semicondutores, pois permitirá a programação de informações para a construção de um chip com material de DNA, ser encapsulado em uma semente e essa semente germinará uma “árvore de chips”. Imaginem um futuro em que automontagem substituirá a produção em série, em um processo de produção muito mais rápido, mas barato e com menos espaço. É justamente, a proposta de valor do DNA origami, e associado as este fato, o crescente interesse da indústria em utilizar Grafeno e Nanotubos de Grafeno para a confecção de chips. Portanto, entender e aplicar esta visão que valoriza o natural sempre beneficiou a humanidade, e é desta forma que a progressão da Nanotecnologia deve ser focada. A Nanotecnologia é considerada, em termos de soberania

nacional não só pelo Brasil, mas também pelas maiores nações e blocos econômicos mundiais (EUA, Coréia do Sul, Japão, União Europeia, Suíça, Rússia, Inglaterra, China e outros), uma tecnologia estratégica e, pela Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OECD), uma das bases das Tecnologias Emergentes, responsável em moldar a próxima revolução industrial e trazer impactos positivos para o desenvolvimento social e econômico mundial. Possui característica transversal, disruptiva e pervasiva, dedicada à compreensão, controle e utilização das propriedades da matéria na nanoescala (1,0x10-9m, que equivale a um bilionésimo do metro). Desta forma acomoda facilmente todas as áreas de negócio. As novas propriedades dos nanomateriais conquistados a partir do entendimento e da utilização da nanotecnologia, revolucionam não somente os produtos, mas também os bens de capital, as máquinas para produção, e a prestação de serviços, com inovações até pouco tempo inimagináveis. Como exemplo inovação com a nanotecnologia que transborda não só para o nível molecular de materiais, mas também agrega propriedades surpreendentes e que revoluciona não somente os produtos, mas também os bens de capital, as máquinas para produção, suas peças e componentes, além da qualidade da prestação de serviços também para a Indústria 4.0. Um dos materiais relevantes para esta mudança de paradigma é o grafeno. O grafeno é um produto derivado do grafite e tem como características ser mais duro que o diamante, mais valioso que o ouro, mais resistente que o aço e com infinitas possibilidades de aplicação no setor de tecnologia. São também características do grafeno ser um excelente condutor de eletricidade e calor, e poder substituir o silício nos componentes eletrônicos ou ser usado na fabricação de baterias potentes e compactas3. A Figura

1 Paul Rothemand Labs, DNA Origami, https://rothemundlab.caltech.edu

2 Bar Ilan University to work with Pfizer Inc. to evaluate drug delivery via DNA Nanorobotshttps://cdn.pfizer.com/pfizercom/partnering/recent_partnership/Pfizer-Bar_Ilan.pdf

3 Plano de ação de ciência, tecnologia e inovação para tecnologias convergentes e habilitadoras: Nanotecnologia, BERTI, Leandro Antunes; BELLUCCI, FelipSilva ; TAVARES, Eder Torres ; MATTAR, Daniela Gonçalves ; ESTEVANATO, Luciana Landim Carneiro ; RENZ, Sandra Pacheco ; BERTOTTI, Paulo Frank ; PAIVA, Helyne Gomes. Brasília, Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações, 2019.

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artigo

Figura 1. Versatilidade das atuais aplicações do Grafeno na indústria

1 ilustra a versatilidade de aplicação tecnológicas que que o Grafeno permite atingir. O Brasil possui a Iniciativa Brasileira de Nanotecnologia (IBN), uma estrutura governamental que rege todos os esforços nacionais para a Nanotecnologia e Materiais Avançados. Foi criada em 2013 pelo Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC), com o objetivo de criar, integrar e fortalecer ações governamentais para promover o desenvolvimento científico e tecnológico da nanotecnologia, com foco na promoção da inovação na indústria brasileira e na prosperidade econômica e social. Sua institucionalização foi recentemente obtida Portaria, No 2.459, de 26 de Julho de 2019. Dentre as funções da IBN, uma das mais importante é estruturar a governança e coordenar os esforços do Estado na temática de nanotecnologia. No ano de 2018, A SAE BRASIL percebeu a grande oportunidade que o novo Inovar Auto traria para o setor da Mobilidade, e solicitou ao Governo Federal que atendesse a demanda de se incluir pleito da Nanotecnologia e Materiais Avançados naquele novo marco legal. A então Coordenação-Geral de Desenvolvimento e Inovação em Tecnologias Convergentes e Habilitadoras (CGTC), responsável pelas políticas públicas nacionais para

Nanotecnologia, Materiais Avançados, Fotônica e Tecnologias para Industria 4.0, ouviu as demandas da sociedade e negociou fortemente a inclusão de uma agenda própria para Nanotecnologia na Medida Provisória 843/2018, que estabeleceu primeiramente o sucessor do Programa para Inovação no Setor Automotivo (INOVAR AUTO), que dispõe sobre o regime tributário de autopeças não produzidas; e o Decreto 9.442/2018, que altera as alíquotas do Imposto sobre Produtos Industrializados (IPI) incidente sobre veículos equipados com motores híbridos e elétricos. Destes esforços originou-se a Lei No 13.755 de Dezembro de 2018, que estabelece requisitos obrigatórios para a comercialização de veículos no Brasil; institui o Programa Rota 2030 - Mobilidade e Logística4. A CGTC estabeleceu em conjunto com o Comitê de criação do Rota 2030 formado pelas empresas do Setor da Mobilidade e Governo, o tema estratégico: Nanotecnologia e Materiais Avançados para o Setor Automotivo em duas frentes principais: 1)Nanotecnologia e materiais avançados para sistemas e seus componentes, autopeças, elementos estruturais: Desenvolvimento de nanotecnologias e materiais avançados para o produto (novo ou de reposição), seus componentes e sistemas com foco na inovação, otimização, melhoramento ou agregação de novas fun-

4 Programa Rota 2030 - http://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_ato2015-2018/2018/lei/L13755.htm

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cionalidades ou características que reduzam emissões de gases de efeito estufa (CO2, NOx e outros gases tóxicos) e a redução de peso no intuito de ampliar a qualidade, conforto, segurança do veículo, resultando em maior produtividade e ganho de competitividade. 2)Nanotecnologia e materiais avançados para sistemas e processos produtivos: Desenvolvimento de nanotecnologias e materiais avançados para ferramental, máquinas, equipamentos, moldes, modelos de moldes, sobressalentes e seus sistemas para aprimoramento dos tempos de processos, aumento da velocidade de produção, aumento efetivo da qualidade e seus controles, redução de desperdício e refugo no processo produtivo, resultando em maior produtividade e ganho de competitividade. Focando nos exemplos de aplicações da nanotecnologia e novos materiais - Filmes ultrafinos, filmes condutivos; filmes fotovoltaicos; lubrificantes sólidos; nanoestruturados; polímeros crômicos; conversor catalítico nanocerâmico, nanofibras e fibras naturais; nanorevestimentos / nanocompostos / nanocompósitos / nanoaditvos / nanofibras, nanofilmes; nanoaço / nanoligas; grafeno e nanotubos de carborno para aumentar a performance e a durabilidade de peças ou pneus; funcionalização de tecidos, tecidos inteligentes; amortecedores e sistemas de suspensão nanoestruturados; nanofluidos; nanóleos; células combustível / baterias de lítio / baterias de lítio-polímero / baterias metal-ar / baterias biológicas (microorganismos e enzymas); revestimentos antidesgastante / autolubrificante; nanomaterial revitalizante de superfície metálica; filtros nanoativos para ar e gases nocivos; nanomateriais para redução de poluentes arrefecimento nanoestruturado; revestimentos nanocerâmicos; tinta anti-risco / tinta repelente de poeira, tintas térmicas / tintas fotocalíticas; materiais e nanomateriais hidrofóbicos / hidrofugante / óleofóbico / óleofugante / ominofóbico; nanoadesivos para solda e colagem/ junção de metais; materiais cerâmicos avançados; materiais poliméricos avançados; materiais e nanomateriais repelentes incrustações e poeiras (bancos, carpetes); nanomateriais retardantes de chamas; nanomateriais geradores de energia; Esta Lei destina R$ 1,5 bi/ano até 2030 para desenvolver Nanotecnologia e outras tecnologias emergentes. Destaca-se que esta é a maior disponibilidade de orçamento para a Nanotecnologia da história no Brasil. Com a mudança do governo o Rota 2030 foi instalado e começou a oferecer editais para as Instituições de Ciência Tecnologia e Inovação (ICTs), as Instituições de Ensino Nacionais (IEs) e as empresas do setor da Mobilidade nacional. Mais uma vez a SAE BRASIL saiu na frente ao lançar uma iniciativa importante para a comunidade da Nanotecnologia no Brasil, o Projeto Grafeno SAE BRASIL. O Projeto Nacional Grafeno SAE BRASIL, incialmente formado pelo Gerente de P&D da GM, Marco Colósio, Diretor de P&D da Bosch, Erwin Franieck e o especialista em Nanotecnologia e Grafeno, Leandro Antunes Berti, com direção do Presidente da SAE BRASIL, Camilo Adas. O Projeto Nacional de Grafeno SAE BRASIL nasceu do planejamento do proposto SAE 4Mobility – Instituto de Ciência, Tecnologia e Inovação na Mobilidade, com a missão de criar uma comunidade

de especialista e autoridades no assunto Grafeno que em pouco tempo criou a maior comunidade em Grafeno na atualidade no Brasil. Esse grupo de trabalho cresceu e se consolidou como fonte de referência para os mais variados assuntos sobre Grafeno e Mobilidade no cenário nacional. Com o amadurecimento do grupo, a SAE BRASIL propôs um desafio para este grupo de se criar tecnologia nacional com Grafeno de qualidade fornecido por empresas nacionais. O intuito sempre foi gerar tecnologia legitimamente brasileira para ao avanço do setor de Mobilidade. Desde cedo com a apoio e encorajamento direto da Presidência da SAE BRASIL, o grupo de Grafeno extraiu uma equipe inicial para a proposição de um projeto guarda-chuva para o desenvolvimento de tecnologias para o setor da Mobilidade. O desafio inicial, desse movimento, foi encontrar os parceiros que pudessem em um prazo curto desenvolver e entregar produtos com nanotecnologia, especificamente Grafeno. Um outro desafio era encontrar uma instituição experiente que pudesse realizar toda a gestão profissional do projeto a ser concebido. Mais um desafio a ser superado era conseguir realizar um projeto multi-institucional que englobasse ICTs, IEs e empresas do setor de Mobilidade (Montadoras, Tier 1, Tier 2 e outras) e fornecedores nacionais da matéria-prima Grafeno. O último desafio seria conseguir criar um arranjo multi-institucional que respeitasse as normas estabelecidas pela FUNDEP para o editais do Rota 2030. As Prioridades elencadas e definidas, possibilitaram que o primeiro desafio fosse conquistado com a negociação da FUNPAR – Fundação de Universidade Federal do Paraná para gerir o projeto como um todo. A FUNPAR é a segunda maior fundação de IEs do Brasil, com 40 anos de atuação, mais de 360 projetos por ano, 300 parcerias institucionais e 130 consultores cadastrados, com um valor total de R$ 252 milhões em projetos gerenciados. Com a fundação definida, a próxima etapa foi avaliar juridicamente os limites do edital, que foi realizado com todo o apoio da experiente equipe da FUNPAR. Vencido esse desafio, o próximo passo foi encontrar IEs que pudessem desenvolver soluções com Grafeno nas linhas definidas pelo edital do Rota 2030. Para isso, foi realizada uma pesquisa com os participantes dentro do grupo, solicitando sugestões soluções respondessem às linhas temáticas do edital. Após a coleta das ideias e sugestões, foram classificadas de acordo com os critérios e escala de TRL (Technology Readiness Level). A partir dessa classificação foram identificadas as linhas temáticas que mais se encaixavam com as soluções e as melhores em mais maduras tecnologias para a proposição do projeto. De posse dessa lista de especialistas e instituições, começaram então as apresentações das soluções para potenciais parceiros no setor Mobilidade. Cada apresentação foi devidamente orientada a não revelar os detalhes da solução a fim de preservar e respeitar as propriedades intelectuais. Em paralelo foram iniciadas as negociações com potenciais fornecedores nacionais de Grafeno. Durante esse processo foram identificadas seis propostas com o tema Aplicação do grafeno na bioenergia eficiente aplicada do setor de transportes. Com o andamento e as interações com as empresas do setor da mobilidade, esse conjunto de propostas foi

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artigo

Figura 2. Ilustração de soluções apreciadas no Projeto Nacional Grafeno SAE BRASIL

reduzindo ao ponto de ficar em cinco proposta. Estas propostas então foram detalhadas em um formulário de subproposta, projetado para responder aos quesitos e critérios do edital do Rota 2030, Linha V, EIXO I – BIO: Bioenergia Eficiente Aplicada ao Setor dos Transportes. Com todas as propostas em mãos, aprofundamos o detalhamento do orçamento e as tratativas com as empresas do setor de mobilidade, os quais apreciaram as propostas, e fomos fechando o escopo e a parceira por subprojeto-a-subprojeto. Esse processo levou ao menos um ano para definir todas as parcerias e culminou no não prosseguimento mais dois subprojetos, devido ao grau de inovação e pouco interesse dos parceiros. Enfim, começamos a montar o projeto completo com quatro propostas, refizemos o orçamento, redistribuímos os recursos e realocamos as instituições e parceiros. Isto exigiu um enorme esforço, pois este arranjo de projeto único no Brasil, conseguiu contemplar todas as necessidades dos subprojetos agregados em um único projeto. Um fato inédito de um arranjo complexo com múltiplos subprojetos com multi-instituições, múltiplas burocracias e com soluções a serem interconectadas para um único fim. Portanto, os três subprojetos aprovados com parceiros convergiam em um ponto, motores à combustão: O primeiro subprojeto da USP com o IPT com os parceiros GM e ICONIC, propõe um aditivo (booster) a base de Grafeno para óleos lubrificantes, com a principal vantagem da redução do atrito e desgaste do motor; o segundo subprojeto proposto da UFPR propõe o desenvolvimento de elemento filtrante à base de Grafeno associado a um sensor de contaminantes dos combustíveis; já o terceiro subprojeto da UFMG propõe desenvolver um produto, aditivo de combustível,

com grafeno com a finalidade de promover aumento da eficiência energética em motores com tecnologia Flex-fuel e com a funcionalidade de prevenir a formação de goma por microorganismos em bicos injetores. Os fornecedores nacionais de Grafeno selecionados foram a CODEMGE, pioneira e uma das maiores produtoras de Grafeno de alta qualidade no Brasil; e Gerdau Graphene, startup da empresa Gerdau com um grande portfólio de tipos de Grafeno. Além disso o projeto será coordenado pela UFPR com a gestão financeira da FUNPAR e, com a curadoria e apoio da SAE BRASIL. Com o orçamento e subprojetos definidos dentro do escopo do edital, passamos então criar o propósito principal do projeto, que logo foi renomeado para Aplicação do grafeno para aumento da eficiência energética em motores OTTO. Nesta etapa, já tínhamos a maioria dos parceiros, o texto do projeto quase pronto e o orçamento bem definido para submetermos o projeto ao edital aberto. Faltava ainda um parceiro a altura deste projeto ambicioso e que possuísse um alinhamento preciso ao que almejávamos, e encontramos a MAHLE, que prontamente identificou o potencial para o seu negócio e se reconheceu no projeto, uma aquisição muito importante e valorosa. No início de julho/2021 tivemos a notícia da aprovação do financiamento pela FUNDEP5. O projeto tem como coordenação geral a Professora Lucimara Stolz Roman do Departamento de Física da Universidade Federal do Paraná, que possui experiencia no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos nanoestruturados. Foi responsável por encaminhar todo processo de aprovação da minuta de contrato com a FUNDEP em todas as instâncias da UFPR, instituição sede, e junto com a FUNPAR auxiliou os

5 Resultado Final Chamada PD&I 01/2021, Rota 2030, Linha V: https://rota2030.fundep.ufmg.br/wp-content/uploads/2021/06/Resultado-Final-Chamada-01-2021-Linha-V-Site.pdf

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colegas na aprovação em suas IEs. Ao final de setembro de 2021 o contrato foi assinado por todas ICTs permitindo a equipe de pesquisadores e engenheiros iniciar o desenvolvimento de produtos inovadores propostos a base de grafeno. Importante ressaltar em 22 Julho de 2021, no ano em que a SAE BRASIL comemora seus 30 anos, foi lançado oficialmente o SAE4Mobility – Instituto de Ciência, Tecnologia e Inovação na Mobilidade6 e na ocasião o seu primeiro projeto aprovado no edital Rota 2030 foi exaltado pelas lideranças do setor de mobilidade e da SAE BRASIL. Discorreram sobre o pioneirismo pela aprovação do primeiro projeto liderado pelo time da SAE4Mobility e como essa contribuição serve de inspiração para outras áreas e como pode trazer grandes frutos tecnológicos para todos do setor da Mobilidade. Portanto o Projeto Nacional de Grafeno já forneceu resultados concretos pela sua capacidade de gerar uma comunidade de alto nível em Grafeno e pela aprovação do primeiro projeto multi-institucional com um arranjo de montadoras, Tiers I, fornecedores de matéria-prima, ICT e IEs, um projeto que respeita e implementa pela primeira vez no Brasil toda a cadeia-produtivo em um único projeto de PD&I. Fato que o Projeto Nacional de Grafeno da SAE BRASIL efetivou o principal propósito do SAE4Mobility, que é transformar conhecimento tecnologia aplicada no setor da mobilidade.

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Benefícios da Sinterização a Vácuo

Lucimara Stolz Roman, doutora em Física Aplicada pela Universidade de Linköping/ Suécia. Professora do Departamento de Física Universidade Federal do Paraná.

ESTAMPAGEM &

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Como Cortar Custos com Datalogger 34 Tratamento Criogênico Profundo 38 Oxidação Intergranular: Castigo ou Vantagem?

Leandro Antunes Berti, CEO da FIBER INOVA, Presidente da Associação Brasileira de Nanotecnologia (BrasilNano), doutor em Nanotecnologia pela Universidade de Sheefield, Inglaterra.

Jan a Mar 2019

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17 Vendido o Maior Forno a Vácuo da América do Sul Seminário de Processos de TT em Abril na Delphi, em Piracicaba (SP) 16 Seminário de Manutenção e Segurança de Fornos em Junho na Combustol Fornos, em Jundiaí (SP)

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Estudo Virtual de Processos de Conformação

Embalagens Metálicas: Estampabilidade Aço x Alumínio Influência do Prensa-Chapas no Springback Otimização de Processo de Clinching em Chapas

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6 Lançamento do SAE 4MObilityhttps://www.autodata.com.br/ noticias/2021/06/22/sae-4mobility-nasce-para-transformar-conhecimento-em-projetos/33844/

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GRAFENO PARA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS – BREVE INTRODUÇÃO por Eduardo Tomanik e Valdirene Peressinotto

grafeno, embora teorizado há décadas, só foi isolado em 2004 pelos pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov, que pelo seu feito ganharam o prêmio Nobel em 2010. De acordo com o documento ISO/TS 8000413:2017, grafeno é uma camada única de átomos de carbono, com cada átomo ligado a três vizinhos num arranjo hexagonal como em uma estrutura tipo favo de mel. Sendo o grafeno uma camada única, às vezes também é chamado de grafeno monocamada e é usualmente referenciado pelos termos em inglês monolayer graphene ou single-layer graphene, e usualmente abreviado como 1LG para distingui-lo do grafeno de duas camadas (2LG) e grafeno de poucas camadas (FLG - do inglês Few Layer Graphene). A depender do método de obtenção pode-se ter variações do nanomaterial a qual a ISO traz a seguinte classificação: • 2LG - grafeno bi-camada: material bidimensional com duas camadas, empilhadas e bem definidas, de grafeno • FLG - grafeno de poucas camadas: material bidimensional que consiste em três a dez camadas de grafeno, empilhadas e, bem definidas. • GNP - nanoplacas de grafeno: nanomaterial consistindo em camadas de grafeno, que normalmente têm espessura entre 1 nm a 3 nm e dimensões laterais que variam de aproximadamente 100 nm a 100 μm • GO: óxido de grafeno: o óxido de grafeno é um material monocamada com alto teor de oxigênio, quimicamente modificado por oxidação e esfoliação de grafite, causando extensa oxidação do grafeno. • rGO: óxido de grafeno reduzido: consiste no óxido de grafeno com teor de oxigênio reduzido Em termos industriais, o termo mais aceito para grafeno é o GNP, além de ser o material mais utilizado nas primeiras aplicações comerciais. O grafeno tem propriedades únicas e de grande potencial industrial, vide tabela 1. Além disso o grafeno é quimicamente inerte, tem propriedades antipatogênicas, ultra impermeável (mesmo átomos de hélio, que tem peso atômico 2, não conseguem atravessá-lo). Mas as pro-

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Figura 1. Ilustração da descoberta do grafeno (usando durex para esfoliar grafite!)

Figura 2. Konstantin Novoselov e Andre Geim recebendo o prêmio Nobel de Fisica

Figura 3. Presidente da Finep, General Waldemar Barroso e o Nobel de Física Konstantin Novoselov na visita deste ao Brasil em 2019 durante o simpósio “Graphene Brazil 2019”

artigo

Tabela 1. Principais propriedades do grafeno

Propriedades do Grafeno Valor

Comparativo com outros materiais

Módulo de Elasticidade

1 GPa

5x maior que o aço

Condutibilidade térmica

130 GPa

400x maior que o aço*

~ 4000 W/m

Tensão de ruptura

Condutibilidade elétrica Capacitância

Área superficial

100 MS/m 550 F/g

Similar à do diamante, 5x maior que a do cobre

40% maior que o Cobre em volume, 6x maior em peso

2700 m2/gr

*a maior resistência já verificada, para se ter uma ideia, seria necessário o peso de um elefante, sobre a ponta de uma agulha, para romper um filme de grafeno.

priedades acima são do chamado “graphene monolayer” (material com apenas 1 camada atômica) de custo elevado. Estas propriedades são alteradas com o aumento do número de camadas ou com a inserção de defeitos, porém com alta relevância para aplicações comerciais, para as quais atualmente as nanoplacas de grafeno e até messmo material mais espesso como o nanografite

Figura 4. From http://www.nanografen.com.tr/en_graphenapplications.html

estão sendo usadas, já com produtos no mercado. As variações de tipos de grafeno são ainda maiores, a Figura 4 mostra de modo esquemático que existem múltiplas combinações possíveis envolvendo número de camadas, nível de oxidação e o tamanho lateral do grafeno. Os diferentes tipos podem produzir diferentes efeitos. Por exemplo, para aplicações onde se deseja excelente condutibilidade térmica e elétrica, é desejada uma relação C / O próxima de zero. A “qualidade” dos diferentes tipos de grafeno é em geral associada a respectiva percentagem de partículas com poucas camadas e baixo grau de defeitos. Entretanto, há de se questionar se numa determinada aplicação, os benefícios advindos do uso do grafeno vieram do número de partículas, ou da área, ou do volume destas partículas de poucas camadas ou ainda de defeitos na rede cristalina.

Aplicações industriais do grafeno

O grafeno tem sido usado principalmente em mercado nicho como compósitos de alta performance (na Olimpíada de Tokyo, arcos, raquetes, roupas e outras) e aplicações eletrônicas. Recentemente a fabricante chinesa GAC anunciou uma bateria a base de grafeno com ultra rápido carregamento (https://www. gac-motor.com/en/media/newsdetail/id/166.html) Contudo o campo de aplicações é bem maior, e dominado pelo uso das GNPs, abrangendo desde tecidos com propriedades antibacterianas, tintas e revestimentos anticorrosivos, retardadores de fogo ou hidrofóbicos, quanto em materiais estruturais. Vide Figura 5. Um exemplo de aplicação na indústria automotiva é a tampa de motor introduzida pela Ford, onde se obteve melhorias subs-

Figura 5. Ilustração mostrando a diversidade de áreas para aplicações industriais do grafeno. Classificação das variantes de grafeno. (fonte: http://www. finep.gov.br/images/noticias/2021/Grafeno_setorial_2021.pdf)

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tanciais nas propriedades mecânicas bem como 10% na redução do peso da peça. Vide detalhes na Figura 6. Como exemplo do uso de grafeno industrial em aplicações de relativa baixa complexidade e custo, a Figura 7 mostra o aumento na resistência à compressão em cimento e concreto de grafenos “industriais”.

Métodos de produção

Os principais métodos de produção de grafeno e derivados de grafeno são a esfoliação do grafite por métodos mecânicos, químicos, ou com a combinação de ambos ou ainda por métodos eletroquímicos e, por métodos sintéticos como CVD (Deposição Química a Vapor), porém existem outros métodos como pirólise de biomassa. A Figura 8, reproduzida do relatório da FINEP mencionado anteriormente, mostra esquematicamente os principais métodos de produção de grafeno e seus derivados.

Centros de produção e Pesquisa no Brasil

No Brasil tem-se estudado nanomateriais de grafite desde a década de 90. Em 2004, ano que marca a publicação do trabalho de Andre Geim e Konstantin Novoselov, laureados pelo prêmio Nobel em 2010, o Brasil já apresentava infraestrutura de pesquisa e recursos humanos em nanomateriais de carbono, como os

nanotubos de carbono e, em 2005 já iniciavam estudos acerca do grafeno. Algumas iniciativas nacionais fomentaram o aumento em quantidade e competência de grupos de pesquisas voltados aos desenvolvimentos em torno dos nanomateriais, como a rede formada pelo INCT-CN (https://www.inctnanocarbono.com/) que conta, atualmente, com cerca de 88 pesquisadores de 25 instituições dentre as quais destacamos: UFMG, CDTN, UFRJ, USP, Univ. Mackenzie, UFPR, Magnesita, Nacional de Grafite, Petrobras e Intercement, além, de colaboração da Votorantim e da Clariant. O setor de PD&I no Brasil apresenta capacitação técnica/científica e infraestrutura para junto do mercado industrial alavancar a cadeia industrial e tecnológica do grafeno. Destacamos a seguir quatro iniciativas nacionais voltadas ao desenvolvimento do mercado de grafeno e ao domínio tecnológico brasileiro: o MackGraphe (https://www.mackenzie.br/mackgraphe/), inaugurado em março de 2016, instalado nas dependências da Universidade Mackenzie em São Paulo e o CTNano da UFMG (https:// www.ctnano.org/), inaugurado em 2018 e instalado no Parque Tecnológico de BH (BHTEC). Estas duas iniciativas possuem o papel de conectar a pesquisa acadêmica com demandas específicas do setor industrial por meio de desenvolvimento de projetos de PD&I com o setor produtivo, atuando nas áreas de nanomateriais, nanotecnologia e caracterização avançada por meio de encomendas tecnológicas, acordos de parceria, alianças estratégicas ou prestação de serviços.

Figura 6. Exemplo de aplicação na indústria automotiva introduzida pela Ford, onde se obteve melhorias substanciais nas propriedades mecânicas da tampa do motor, bem como 10% na redução do peso da peça.

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Figura 7. Esta figura ilustra o aumento na resistência à compressão em cimento e concreto contendo GO. Retirado de Meng, W., K.H. Khayat “Mechanical properties of ultra-high-performance concrete enhanced with graphite nanoplatelets and carbon nanofibers”. Composites Part B: Engineering, 2016. 107: p. 113-122.

Já a CODEMGE(http://www.codemge.com.br/atuacao/tecnologia/grafeno/) lidera o “Projeto MGgrafeno”, implantação da primeira planta piloto do Brasil, com tecnologia 100% nacional, de produção industrial de grafeno a partir da grafita natural, pela rota de esfoliação química e aplicações, em parceria com o CDTN (Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear), uma das unidades de pesquisa do MCTI, e a UFMG. A planta encontra-se nas instalações do CDTN e conta com equipe de 60 pessoas e uma capacidade instalada de produção de 20 toneladas/ano de produtos que vão desde o grafeno de poucas camadas até o nanografite. Além do processo industrial de produção de grafeno, o MGgrafeno desenvolveu também soluções tecnológicas na área de caracterização e metrologia, com importante contribuição para o mercado de grafeno e possui parcerias com diversas instituições (acadêmicas e industriais) para o desenvolvimento de aplicações comerciais de seus produtos. O objetivo da iniciativa é transferir para o mercado privado as tecnologias desenvolvidas, que devem ser abertas ao mercado ainda em 2021. Destacamos também, a Universidade de Caxias do Sul-UCS, que inaugurou em 2020 a UCSGRAPHENE (https://www. ucsgraphene.com.br/), planta de produção de grafeno instalada

Figura 8. Figura reproduzida do relatório da FINEP (FINEP. Panorama Tecnológico - Grafeno. Contexto Brasileiro e sua Demanda por Financiamento. 2021. Disponível em: http://www.finep.gov.br/images/noticias/2021/Grafeno_setorial_2021.pdf), ilustra os principais métodos de produção de grafeno e seus derivados.

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dentro do Parque de Ciência, Tecnologia e Inovação da UCS, atuando na produção de grafeno e seus derivados para aplicação em diferentes áreas do conhecimento. A UCSGRAPHENE possui parceria com a Zextec Nano focada em potencializar a inserção do grafeno no mercado, visando o desenvolvimento conjunto de soluções tecnológicas para a indústria nacional e internacional, atuando diretamente na comercialização e distribuição do grafeno, e no desenvolvimento tecnológico aplicado. Importante destacar que o Grafeno é um material estratégico para o Brasil e diversas iniciativas nacionais estão sendo implementadas para promover os desenvolvimentos acadêmicos e industriais, destacamos o edital da FINEP/MCTI “Estruturação de Centros de Tecnologia e Inovações Aplicadas em Materiais Avançados” de 09/2020 (http://www.finep.gov.br/chamadas-publicas/chamadapublica/656), que aprovou 2 centros dedicados ao estudo de materiais avançados, em especial o grafeno, com resultado final publicado em 26 de agosto de 2021.

Referências

Estruturação de Centros de Tecnologia e Inovações Aplicadas em Materiais Avançados 09/2020. Disponível em: http://www.finep.gov.br/chamadas-publicas/ chamadapublica/656. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38101

FINEP. Panorama Tecnológico - Grafeno. Contexto Brasileiro e sua Demanda por Financiamento. 2021. Disponível em:http://www.finep.gov.br/images/noticias/2021/Grafeno_setorial_2021.pdf

WANG, X.; NARITA, A.; MÜLLEN, K. Precision synthesis versus bluck-scale fabrication of graphenes. Nature Reviews Chemistry, v. 2, 2017

Eduardo Tomanik e Valdirene Peressinotto são membros da comissão SAE BRASIL de Grafeno e da proposta aprovada para o Projeto Rota2030 sobre o uso de Grafeno para aumento de eficiência energética. Assumiram recentemente posições no P&D da Gerdau Grafeno.

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CHALLENGER UFABC E A CORRIDA COM O HIDROGÊNIO por Bruno B. Furquim, pesquisador da UFABC

equipe Challenger Electric Racing Team está representando a Universidade Federal do ABC no “Desafio SAE BRASIL – BALLARD Student H2 Challenge 2020” a qual é uma iniciativa pioneira que permite aos alunos o contato com a tecnologia de ponta do hidrogênio por meio da interação com pesquisadores e profissionais da indústria nacional e internacional. O desafio trazido pela Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE) Brasil e Ballard é a primeira competição mundial de Baja e Fórmula SAE elétrico movido a células combustíveis de hidrogênio. Sendo assim, nosso objetivo é transferir conhecimento e experiência sobre as tecnologias que estamos desenvolvendo para outras universidades brasileiras.. Desta forma, é possível trazer mais capital humano para futuras tecnologias emergentes no setor automotivo e de energia renovável. Para atingir o alto nível de inovação utilizamos recursos e laboratórios avançados de engenharia, colaborando em conjunto com a SAE Brasil um futuro mais eficiente e renovável. Nosso foco, em termos de desenvolvimento técnico, é conciliar e tornar aplicável o uso de células combustíveis do tipo PEM (Proton Exchange Membrane) com um motor elétrico BRM (Boost Recuperation Machine). O grande desafio tem sido contornar a falta de tecnologia presente no mercado nacional direcionado a suprir os requisitos de manipulação do gás hidrogênio, além disso a falta de informação e estudos acerca desse assunto tem tornado o projeto mais desafiador. Entretanto, a forte colaboração de empresas e a utilização de metodologias do tipo V-Model, Agile, CPM e recursos como simulações e laboratórios/oficinas para montagens, testes e validações têm permitido o avanço nos estudos e consideráveis resultados para a implementação dessa tecnologia

Porque o Hidrogênio?

O hidrogênio é um portador de energia flexível com aplicação potencial em todos os setores de energia. É um dos poucos portadores de energia com emissão potencial próxima de zero, ao lado da eletricidade e dos biocombustíveis avançados. No entanto, é importante notar que o hidrogênio é um portador de energia e não uma fonte de energia: embora o hidrogênio como compo-

Figura 1. Banner de apresentação da identidade visual da Challenger Electric Racing Team

nente molecular seja abundante na natureza, a energia precisa ser usada para gerar hidrogênio puro. O hidrogênio pode então ser usado como combustível para processos de conversão de uso final, e usando células de combustível para produzir energia. Como é o caso da geração de eletricidade, a produção de hidrogênio tem custos e perdas termodinâmicas. A produção de hidrogênio em combinação com a captura e armazenamento de carbono pode fornecer benefícios de segurança energética e ajudar a manter uma mistura de combustível diversificada. Como transportador de energia, o hidrogênio pode permitir novas ligações entre o fornecimento e a demanda de energia, de maneira centralizada ou descentralizada, potencializando a flexibilidade geral do sistema de energia. Ao conectar diferentes redes de transmissão e distribuição de energia, fontes de energia de baixo carbono podem ser conectadas a aplicações de uso final que são desafiadoras para descarbonizar, incluindo transporte, indústria e edifícios. Em áreas remotas com pouco acesso à rede elétrica, essas conexões podem expandir o acesso fora da rede aos serviços de energia, minimizando as emissões [IEA]. Embora outras vias para usar hidrogênio como combustível no transporte sejam viáveis, por exemplo, por meio do uso de metano

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sintético em veículos a gás natural comprimido ou por meio da conversão para metanol, a análise atual concentra-se nos FCEVs (Fuell Cell Electric Vehicles) e no uso de hidrogênio puro [IEA].

Como funciona?

Os FCEVs são veículos essencialmente elétricos que usam hidrogênio armazenado em um tanque pressurizado e uma célula de combustível para geração de energia. Os FCEVs também são carros híbridos, já que fazem uso de uma célula combustível em conjunto com um powertrain elétrico e uma bateria a qual é capaz de armazenar e suprir energia excedente. A energia elétrica da bateria é usada para reduzir a demanda de pico da célula de combustível durante a aceleração e para otimizar sua eficiência operacional. Por serem veículos elétricos e híbridos, os FCEVs se beneficiam do avanço tecnológico de ambos, uma vez que possuem uma quantidade significativa de peças como baterias e eletrônica de potência em comum [IEA]. Hoje, cerca de 550 FCEVs (carros de passageiros e ônibus) estão operando em vários projetos de demonstração

Figura 2. Disposição das peças feita por modelagem em computador (CAD)

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em todo o mundo e o protótipo que está sendo desenvolvido pela Challenger Electric Racing Team pretende ser um deles.

Nossa metodologia

Nosso projeto usa a metodologia baseada no “V-Model”. O modelo V resume as principais etapas a serem seguidas em conjunto com as entregas correspondentes dentro da estrutura de validação do sistema computadorizado ou desenvolvimento do ciclo de vida do projeto. Ele descreve as atividades a serem realizadas e os resultados que devem ser produzidos durante o desenvolvimento do produto.

Sobre a célula combustível

O setor de Energia da Challenger Electric Racing Team é responsável pelo estudo do fluxo do gás hidrogênio pelas tubulações de alta e baixa pressão no interior do veículo, além de estudar e modelar o funcionamento da célula combustível com base em seus 5

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na oxidação do hidrogênio chegam ao cátodo pelo circuito externo e ali participam da reação de redução do oxigênio. Os prótons formados no ânodo são transportados para o cátodo, onde reagem para formar o produto da reação global da célula a combustível: a água. Em outras palavras, nessa célula a combustível a reação que ocorre no ânodo é a oxidação do hidrogênio e a reação que ocorre no cátodo é a redução do oxigênio, geralmente do ar.

Figura 3. Representação gráfica do Modelo V

estágios e seus processos químicos que serão explicados a seguir. Sob o ponto de vista químico, o hidrogênio gasoso (o combustível) penetra pela estrutura porosa do ânodo, se dissolve no eletrólito e reage nos sítios ativos da superfície do eletrodo, liberando elétrons e formando prótons (H +). Os elétrons liberados

Sob o ponto de vista dos 5 estágios nós temos:

Standby: A célula de combustível não pode fornecer potência nominal imediatamente após ter sido iniciada. Um período de aquecimento é necessário após a inicialização para permitir que a célula de combustível alcance sua temperatura operacional, para hidratar a membrana e para aumentar o desempenho do catalisador por falta de ar ou pulso de corrente. [BALLARD] Startup: O ventilador é iniciado antes da purga inicial para fornecer fluxo de ar para diluir a purga inicial. O gás anódico precisa

Figura 4. Modelos de células combustíveis do tipo PEM

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motor é feita através de uma Rede CAN. Utilizando um barramento serial, ele interconecta vários dispositivos de forma simples e eficiente. A conexão do controlador consiste em um Arduino e uma placa MCP2515. Como controlador central para os comandos do motor, o Arduino possui entradas que permitem a comunicação com sistemas fora do domínio Powertrain, como as entradas do driver, permitindo o controle da cabine.

Resultados e Discussão

Figura 5. Boost Recuperation Machine (BRM) usado no projeto

ser trocado por hidrogênio fresco, a fim de fornecer energia. A válvula de purga deve atender a certas especificações para minimizar a perda irreversível de desempenho causada pela troca de ar no ânodo com o gás H2. [BALLARD] Warm-up: A célula é levada à temperatura necessária, a membrana é hidratada e o desempenho do catalisador é aumentado para permitir que a célula forneça a potência nominal. O tempo necessário para a célula de combustível atingir a potência nominal de saída dependerá do tempo necessário para a célula de combustível se aquecer até a temperatura operacional ideal e do tempo necessário para a hidratação da chaminé. [BALLARD] Run: A corrente da célula a combustível pode variar entre a corrente máxima e mínima da célula (0 a 75 A). Todos os testes de vida são realizados a 65,3 A. Em correntes mais altas, a bateria funciona em uma temperatura mais alta e a degradação do desempenho é acelerada em temperaturas mais altas. Da mesma forma, a taxa de degradação do desempenho diminuirá com correntes mais baixas. [BALLARD] Shutdown: Após o desligamento, a pressão do ânodo diminui à medida que o hidrogênio é consumido. O gás H2 é consumido por meio de dois mecanismos: 1) H2 difundindo-se através da membrana e reagindo com o ar no cátodo ou 2) difundindo-se ar através da membrana e reagindo com H2 no ânodo. [BALLARD]

Sobre o motor

O setor de Powertrain é responsável pelo sistema de tração do veículo, envolvendo alguns macro componentes como o motor e a transmissão. Além disso, as baterias do veículo são outra responsabilidade do setor, fornecendo alimentação para o motor e eletrônicos. O motor elétrico é um Boost Recuperation Machine (BRM), que pode ser utilizado como motor de tração e recuperação, convertendo a energia cinética em eletricidade que será armazenada nas baterias para posterior aproveitamento. Os sinais disponibilizados pela SEG Automotive foram utilizados no Arduino para controlar as ações desejadas do motor. A comunicação com o

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Atualmente nosso projeto se apresenta em fase simulação e validação, alguns desafios como desenvolvimento de algoritmo para rede CAN e compra de componentes compatíveis com o hidrogênio já foram resolvidos, entretanto é interessante ressaltar a dificuldade em algumas etapas devido a falta de disponibilidade de empresas e pesquisadores no mercado nacional que dispõe desse material e do conhecimento desse tipo de tecnologia. Através de simulações é possível validar a harmonia e integração dos sistemas como administração e fornecimento de energia com powertrain e eletrônica embarcada. Previsões como velocidade e desempenho do veículo já foram estabelecidas, nos movendo a posterior etapa de montagem e validação com sistema completo.

Conclusões

Nota-se o sucesso dos objetivos estipulados pela comissão organizadora em estabelecer proximidade entre a Universidade Federal do ABC e diversas empresas e profissionais não só do mercado nacional como também internacional. O interesse por empresas do setor automotivo em conhecer mais sobre a arquitetura dos FCEVs tem aumentado significativamente e a busca em gerar tecnologia para suprir essa emergente demanda também tem crescido. A viabilidade do projeto tem trazido bastante otimismo para a equipe, apesar de ser um tema muito complexo e com poucas pesquisas disponíveis tem-se atingido ótimos resultados em tempo hábil.

Referências

BALLARD, “Putting Fuel Cells to work Ballard document”, pages 12,14,16

BALLARD, “Putting Fuel Cells to work Ballard document”, pages 102, 104

BALLARD, “Putting Fuel Cells to work Ballard document”, pages 106,107,108,109 BALLARD, “Putting Fuel Cells to work Ballard document”, page 112

BALLARD, “Putting Fuel Cells to work Ballard document”, pages 114

IEA, “Data and Statistics”, URL: <https://webstore.iea.org/download/direct/537>

Bruno B. Furquim, pesquisador da UFABC

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Nossa equipe tem participado de muitas apresentações e feito muitos artigos! Destaca-se a nossa presença no Congresso C-MOVE que ocorreu durante o salão de veículos elétricos latino americano de 2021 a qual nos trouxe a colocação de 1º lugar em relação a trabalho e Pitch entregues. Entre as equipes presentes também se destaca da UFMG e Unicamp!

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AVALIAÇÃO DE PROPRIEDADES MECÂNICAS DE NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM NANOPLACAS DE GRAFENO: UMA REVISÃO por Bruna Farias de Bortoli, Monique Camille Rodrigues Camargo, Ricardo Ferreira Cavalcanti de Albuquerque, Rodrigo Denizarte de Oliveira Polkowski, da Ford Motor Company

Resumo

desenvolvimento de nanocompósitos com nanoplacas de grafeno (NPGs) e polipropileno (PP) como matriz polimérica vem despertanto o interesse acadêmico e industrial, devido às suas propriedades de reforço e de obtenção de compósitos mais leves e potencialmente mais baratos. Esta revisão tem o objetivo de chamar a atenção desse material promissor para a área mecânica. Ele começa com breve revisão referente a estrutura do grafeno, seguido pelo interesse e crescimento exponencial das publicações nas últimas duas décadas. Após, é abordado o progresso de síntese dos nanocompósitos, sua funcionalização e do desenvolvimento de nanocompósitos híbridos com a inserção de fibra de vidro (FV). As propriedades mecânicas dos compósitos de NPGs/PP foram abordadas e comparadas com os resultados dosresultado dos compósitos híbridos, discutidos nesse trabalho. Palavras-chave: Grafeno, Nanocompósitos, Polipropileno, Fibras de vidro.

Introdução

O grafeno é membro dos materiais de carbono, que incluem grafite, negro de fumo, nanotubos de carbono, fibras de carbono, carbonos ativados, carbonos porosos, diamante e fulerenos [1]. Constituído por uma estrutura monocamada bidimensional (2D), cristalina, com ligação de átomos de carbono que possuem hibridização sp2 com núvens de elétrons-p, configuração que influencia em suas propriedades, apresentando duas possibilidades de estruturas, sendo o grafeno a de camada plana e posicionamento de forma hexagonal [1][2][3]. Essa forma de estrutura é considerada uma unidade básica para alguns alótropos de carbono de várias dimensionalidades [3]. Cada átomo em uma camada de grafeno ocupa três orbitais híbridos sp², (S, Px e Py) que quando compartilhados com os três átomos mais próximos, formam as ligações σ. Essas ligações resultam na sobreposição de orbitais híbridos sp², enquanto as ligações σ emergem entre os orbitais Pz (Figura 1)[4].

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Do ponto de vista da engenharia, o grafeno é um material importante devido a suas características de estrutura química e física, demonstrando promissoras aplicações com elevados potenciais tecnológicos, proporcionando propriedades únicas e e ao mesmo tempo de significativa versatilidade [1]. Sendo assim, é qualificado como um material de alto desempenho mecânico, térmico e elétrico. Sua aplicação tem gerado interesse acadêmico e industrial em nanocompósitos, possibilitando a transformação de propriedades quando incluso na matriz do material, levando a uma melhoria em materiais já existentes. Esse material, além de criar aplicações para utilização de nanocompósitos, devido ao grande aprimoramento de propriedades que podem ser atingidas [3]. Nanocompósitos de grafeno em matriz polimérica têm mostrado aplicações potenciais em áreas como eletrônica, aeroespacial, automotiva e tecnologia verde [4]. A incorporação do grafeno em polímeros pode melhorar as propriedades mecânicas como a resistência à tração, rigidez e resistência à fratura. Essa melhora nas propriedades ocorre devido às fortes interações com a matriz polimérica, resultado da configuração estrutural do grafeno e sua grande área interfacial [1][4]. Entre as formas de grafeno utilizadas, abordaremos nesta revisão as melhorias proporcionadas pela inclusão de nanoplacas de grafeno em matriz poliméria de PP. As NPGs são plaquetas de uma ou poucas camadas que podem ser produzidas em grandes quantidades através da utlização de métodos químicos [3]. Entre as matrizes utilizadas, têm-se um crescimento exponencial em pesquisas com PP, termo-

Figura 1. A) Formação de orbital híbrido sp² com três lóbulos principais. B) Ligações σ e π no grafeno. Adaptado de (Wikipedia, 2021)

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As propriedades mecânicas do material bulk (massivo) são diferentes do material com tamanho reduzido (nanopartículas). A ordem de empilhamento das unidades estruturais básicas, textura, modo de orientação, densidades aparentes e tamanhos dos poros são diferentes. O PP é um polímero com inúmeras aplicações, entretanto, suas propriedades são inferiores em relação ao grafeno. O grafeno pode ser adicionado ao PP para elevar a qualidade dessas propriedades. Além das altas propriedades mecânicas, o grafeno possui uma área de superfície extremamente alta (2630 m²/g), uma propriedade notável para melhorar as propriedades e processamento de nanocompósitos poliméricos. Assim, o reforço de PP com grafeno visa

a obtenção de um material com propriedades aprimoradas possibilitando a sua aplicação para as mais variadas áreas. O baixo peso desses compósitos é uma ótima opção para aplicar em veículos, por exemplo, promovendo a redução do consumo de ccombustível e sua alta condutibilidade térmica, podendo funcionar como revestimento de baterias, proporcionando a melhora na dissipação de calor [5]. A compatibilidade e a dispersão das nanopartículas na matriz polimérica fazem parte da etapa de “preparação”. Uma boa dispersão afeta as cadeias poliméricas vizinhas e, consequentemente, as propriedades de toda a matriz. Portanto, grandes esforços têm se concentrado em alcançar um sistema homogêneo e bem disperso [6]. A dispersão das nanoplacas de grafeno na matriz polimérica depende do tamanho da folha e de sua funcionalidade. Para aumentar a dispersão do grafeno na matriz polimérica é necessário que sua superficie seja modificada. Grafenos sem grupos funcionais interagem com a matriz polimérica de maneira muito fraca e ineficaz através de forças de Van der Waals, empilhamento π − π e interações hidrofóbicas, que são muito fracas. A rota de esfoliação química torna o grefeno viável para produção em maior escala. Dentre os métodos existentes o mais empregado é o de Hummers Offeman. Nesse método, a primeira etapa consiste na oxidação do grafite a oxido de grafite, através do agente oxidante Mn2O7 e KMNO4. Grupos funcionais oxidados são introduzidos ao material (-OH, -COOH e -NH-NH2) criando uma repulsão eletrostática que reduz as forças de Van der Waals entre as camadas intermediárias de grafeno. A Figura 3 mostra como esses grupos funcionais ajudam na dispersão das NPGs em solvente e mantêm camadas individuais separadas umas das outras [1][7]. Nesse sentido, no campo das investigações desses nanocompositos, pesquisadores têm apontado uma melhora nas propiedades mecânicas. Através das Figuras 4 e 5 pode-se evidenciar que os resultados das propriedades mecânicas obtidos de estudos destes nanocompósitos sofrem influência quando há adição de NPGs em matriz de PP, impactando nas propriedades mecânicas como módulo de Young, resistência à flexão e resistência à tração.

Figura 2. Avanço da literatura para nanocompósitos NPGs/PP.

Figura 3. (a) NPGs, (b) Oxidação, (c) (d) Separação dos NPGs. Adaptado de (TRIPATHI, Sandeep N. et al,2017).

plástico de engenharia, o qual tem como característica boas propriedades físicas e mecânicas, assim como resistência química e fácil processamento[4]. Devido a possibilidade de propriedades estruturais e funcionais que levam ao design de novos materiais, várias tentativas têm sido feitas para utilizar o grafeno como uma pequena quantidade de aditivo, elevando a procura pelo desenvolvimento de nanomateriais com sua inclusão nos últimos anos [1]. A Figura 2, representa o crescimento exponencial de publicações técnico científicas relacionadas aos nanocompósitos envolvendo grafeno/PP, considerando o significativo aumento e relevância da aplicação. Conjuntamente é apresentado a evolução de publicações técnico científicas de nanocompósitos híbridos com inserção da fibra de vidro, demonstrando que este composto híbrido possui maior carência de exploração do desenvolvimento científico, quando comparado à literatura de grafeno/PP. Devido ao crescimento exponencial de nanomateriais à base de grafeno/PP, esta revisão se concentra principalmente em nanocompósitos poliméricos utilizando nanoplacas de grafeno como carga. A ênfase será direcionada às relações de propriedades mecânicas alcançadas através destes nanocompósitos.

Nanocompósitos Grafeno/PP

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Figura 4. Avanço da literatura em relação a resistência a flexão e tração para nanocompósitos NPGs/PP.

processo muito utilizado que envolve a incorporação do grafeno durante a polimerização do layer para aumento da dispersão. As NPGs dispersas em um solvente são distribuídas numa solução contendo monômeros puro ou numa solução de monômeros e um iniciador. O iniciador é ativado por algum estímulo e as placas de grafeno esfoliadas se fixam à matriz por meio de ligações cruzadas com as cadeias poliméricas. Esse processo é muito importante para a preparação de insolúveis e polímeros termicamente instáveis que não podem ser processados por solução ou extrusão. A mistura de soluções é um dos métodos mais comuns de preparação de compósitos de grafeno e polímeros, especialmetente polímeros com alto peso molecular. Esse método envolve três etapas: dispersão do polímero em um solvente adequado, misturas da solução polimérica numa suspensão de grafeno em uma termperatura adequada e a recuperação do nanocompósito por precipitação [6]. Uma agitação rigorosa do grafeno com o polímero aumenta a desagregação e dispersão do grafeno na matriz polimérica. Soluções baseadas nesse método oferecem vantagens por terem uma baixa viscosidade, o que proporciona uma mistura uniforme e consequentemente uma melhor dispersão do grafeno. Esse método tem como desvantagem a utilização de uma grande quantidade de solventes e sua evaporação de maneira que se minimize os resíduos [6]. O processo de extrusão é o preferido para aplicações industriais por seu baixo custo e simplicidade. Esse processo envolve a fusão de pellets de polímero seguida de alta força de cisalhamento para dispersar o grafeno, sem a necessidade de solventes [13].

Técnicas de caracterização

Figura 5. Avanço da literatura em relação a elasticidade e tensão para nanocompósitos NPGs/PP.

Observa-se que o percentual de NPGs incorporado é diretamente proporcional ao aumento do módulo de tensão e inversamente proporcional a resistência à flexão. Esses dados corroboram com a existência de um campo de estudos a ser explorado de perspectivas animadoras. Isso leva a um material com propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e químicas excelentes, o que tem atraído a atenção para inúmeras aplicações que requerem altas propriedades mecânicas.

Métodos de preparação de Polipropileno/NPGs

A efetiva utilização de grefeno em nanocompósitos depende fortemente da dispersão homogênea do grafeno na matriz polimérica. Três diferentes técnicas podem ser utilizadas: polimerização in situ, mistrura de soluções e extrusão. A polimerização in situ é um

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Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou material que será processado industrialmente a situações que simularão seus esforços nas condições reais de aplicação, submendo-os também a limites extremos para mapeamento de seu comportamento [7]. As técnicas para a caracterização de nanocompósitos com NPGs e polipropileno são preparadas inicialmente pela injeção dos corpos de prova, com temperatura de processamento e molde de acordo com a matriz polimérica que será incorporada, para o PP, geralmente utiliza-se entre 170 a 210 °C com temperatura do molde entre 40 a 50 °C [4][8][9]. Posteriormente de acordo com a necessidade de cada técnica é realizada o preparo da amostra. Entre as técnicas mais comuns para caracterização de nanocompósitos com nanoplacas de grafeno em matrizes polímericas tem-se: Microscopia optica (MO), possibilitando a contagem das camadas de grafeno [4], Microscopia eletrônica de varredura (MEV), utilizada para estudar a interface entre a matriz e a carga, possibilitando a determinação morfológica dos nanocompósitos[4] [8][9][10]. A difração de raio-X fornece dados da variação na ordem das camadas de grafeno [4][8]. As análises de Termogravimetria (TGA) e Calorimetria exploratória diferencial fornecem os dados térmicos dos nanocompósitos que auxiliam na evidência de melhoria das propriedades térmicas quando comparados à matriz polimérica isolada [4][8][9].

artigo

O ensaio de tração é um importante e comum ensaio de caracterização, conduzido em temperatura ambiente por meio de uma máquina de ensaios universal, a qual fornece dados quantitativos permitindo a realização de cálculos matemáticos para a determinação de parâmetros[4][8][11]. Esse ensaio consiste na aplicação de uma força de tração axial em um corpo de prova padronizado, promovendo a deformação do material na direção do esforço, tendendo a alongar até fraturá-lo. É possível determinar resultados como o gráfico de Tensão Deformação e medir as propriedades de Resistência à Tração, Módulo de Elasticidade, Tensão no Escoamento, Tensão na Ruptura, Deformação no Escoamento e Deformação na Ruptura.

Compostos híbridos de grafeno multifuncional / polipropileno de fibra de vidro

O polipropileno é um dos polímeros mais utlizados para uma matriz de nanocompósitos. Porém, possui certas deficiências como baixa resistência e pequena faixa de temperatura para aplicações. Quando fibras de vidro (FVs) são incorporadas em uma matriz polimérica, as propriedades da interface fibra-matriz controlam, em grande parte, o desempenho do compósito. Uma boa adesão interfacial garante a transferência eficiente de carga da matriz para o reforço, reduzindo concentrações de tensão e colaborando para um aumento das propriedades mecânicas. Os plásticos reforçados com FV são usados em diversas aplicações na indústrias automotiva, aeroespacial e outras, devido a proporcionar um alto módulo de tensão. No entanto, sua alta densidade, baixa condutividade térmica e estabilidade são desvantagens deste material [12]. É conhecido que a adesão interfacial entre polímeros e fibra de vidro tende a ser fraca devido à baixa molhabilidade e adsorção [13]. Entretanto o grafeno possui potencial para melhorá-lo, atuando como agente compatibilizante entre a interface PP/FV. O grafeno aprimora as propriedades desses compósitos, como a condutividade térmica, durabilidade, estabilidade térmica, rígidez e resistência mecânica [14]. Inúmeros estudos mostram que a adição de grafeno ao PP melhora suas propriedades mecânicas. A adição de fibras de vidro diminui tanto o grau de cristalinidade quanto a temperatura de transição de vidro do polipropileno, enquanto ambos os parâmetros aumentam significativamente com a adição de NPGs, melhorando as propriedades térmicas do material [15]. A adição de ambos os preenchimentos para polipropileno aumentam o módulo de Young do polímero em uma extensão semelhante para uma determinada fração de volume e há alguma evidência de espectroscopia. A adição de fibras de vidro aumenta a tensão de fratura, mas reduz a deformação de falha do polímero, enquanto a adição de nanoplacas de grafeno causa menos redução na deformação de falha. Finalmente, descobriu-se que a presença de fibras de vidro no polipropileno tem pouco efeito sobre a condutividade térmica do polímero, ao passo que a adição de nanoplacas de grafeno aumenta em mais do que um fator de produção. A Figura 6 compara estudos de compósitos de PP com NPGs, e com fibras de vidro, sendo constatado que a adição de NPGs aumentou a resistência à tração, entretanto, existe uma pro-

Figura 6. Comparação dos diferentes tipos de compósitos com PP-NPGs, PP-FV, Hibrido PP-NPGs-FV.

porção ideal de cada um dos componentes para obter uma ótima propiedade. O que mostra que existe um potencial a ser estudado e compreendido.

Conclusões

Esse trabalho teve como objetivo investigar o aprimoramento das propriedades mecânicas de compostos de PP e grafeno com e sem fibras de vidro, bem como mostrar que o crescente número de publicações demonstra que existe um grande potencial a ser explorado. O efeito da adição de grafeno tanto ao PP puro, quanto ao PP/FV melhora as propriedades mecânicas do nanocompósito e soluciona pontos fracos, oferecendo alto desempenho e múltiplas funcionalidades ao material. O grafeno oferece um grande potencial a ser explorado e as perspectivas para aplicações especialmente no setor automobilistico são altas.

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Revista Grafeno | outubro 2021 | 49

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Bruna Farias de Bortoli, Monique Camille Rodrigues Camargo, Ricardo Ferreira Cavalcanti de Albuquerque, Rodrigo Denizarte de Oliveira Polkowski, da Ford Motor Company

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